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COMPORTAMIENTO DE PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES
COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
CIELO STEPHANY ARDILA MONTIEL
NATALIA LONDONtildeO MANRIQUE
UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTAacute DC
2015
2
COMPORTAMIENTO DE PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES
COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
CIELO STEPHANY ARDILA MONTIEL
NATALIA LONDONtildeO MANRIQUE
Anteproyecto presentado como requisito para optar al Tiacutetulo de Ingeniero Civil
Asesor Disciplinar IC MSc Christian Camilo Gutieacuterrez Angulo
Asesor Metodoloacutegico Licenciado Roy Morales Peacuterez
UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTAacute DC
2015
3
Agradecimientos
En este tiempo de estudio varias personas han contribuido con el logro de los
objetivos planteados
Agradecemos naturalmente a la Universidad La Gran Colombia sede en Bogotaacute
en donde adquirimos la formacioacuten acadeacutemica que nos permitioacute el desarrollo de la
presente investigacioacuten desenvolviendo la temaacutetica con los profesionales Ic MSc
Christian Camilo Gutieacuterrez Angulo y Licenciado Roy Morales Perez quienes nos
orientaron se preocuparon y nos brindaron valiosos aportes durante el desarrollo
de la investigacioacuten
A nuestras familias quienes han estado y siempre estaraacuten acompantildeaacutendonos en el
emprendimiento de retos venideros
4
CONTENIDO
LISTA DE TABLAS7
LISTA DE FIGURAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
GLOSARIOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15
2 ANTECEDENTES 17
3 OBJETIVOS 22
31 OBJETIVO GENERAL 22
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS 22
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos 22
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos 22
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos 22
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos 22
4 JUSTIFICACIOacuteN 23
5 MARCO REFERENCIAL 25
51 MARCO CONCEPTUAL 25
Suelos Expansivos 26 511
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 38 512
52 MARCO LEGAL 42
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO 43
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN 43
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN 43
63 DISENtildeO MUESTRAL 43
5
Poblacioacuten universo 43 631
Muestra 44 632
Individuo 45 633
Variables 45 634
64 FASES DEL PROYECTO 46
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas 46
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 47 642
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 48 643
7 DESARROLLO METODOLOGICO 49
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS 49
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH 51
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS 53
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 53 731
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 64 732
Paraacutemetros geomeacutetricos 67 733
74 DESARROLLO DEL MODELO 67
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 69 741
8 ANALISIS DE RESULTADOS 90
9 CONCLUSIONES 108
10 RECOMENDACIONES 110
11 BIBLIOGRAFIacuteA 112
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDADhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip116
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA
GEOMETRIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip117
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
6
EXPANSIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip118
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip119
7
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos 28
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa 30
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten 31
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos 32
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa 33
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos 37
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes 40
Tabla 8 Normatividad 42
Tabla 9 Variables 45
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos 50
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos 51
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no
consolidado no drenado Suelo natural antes de ser tratado 55
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos 58
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(CH) 61
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad
(CL) 62
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
68
Tabla 17Valores de factor de seguridad 77
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander 26
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo 39
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para MH 56
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para CL 57
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av 64
Figura 6Valores de Kst A max 65
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos 66
Figura 8 Modelo en slide para un CH 69
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico 70
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico 71
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico 71
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico 72
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico 72
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico 73
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico 74
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico 75
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico 75
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico 76
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico 76
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en
condicioacuten estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m 78
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 79
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros 80
Figura 23 Rangos de variables 81
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con
9
altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm 82
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con
ru=00 en condicioacuten estaacutetica 83
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y
05 en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm 84
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=0 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 90
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 92
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 94
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=000 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 96
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 98
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 99
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 101
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
45deg y altura de 10 m en CH MH y CL 103
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
60deg y altura de 10 m en CH MH y CL 104
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
75deg y altura de 10 m en CH MH y CL 106
10
GLOSARIO
Asentamientos deformacioacuten de un suelo
Asentamientos inmediatos causado por la deformacioacuten elaacutestica del suelo la
cual ocurre en estados del suelo saturado seco o huacutemedo
Asentamientos por consolidacioacuten es el cambio de volumen en suelos
cohesivos saturados debido a la expulsioacuten del agua que ocupan los poros Los
suelos cohesivos saturados son suelos arcillosos los cuales dependen de la
permeabilidad que contenga el suelo
Asentamientos por compresioacuten secundaria parte de una deformacioacuten que ya
sucedioacute y ocurrioacute con un esfuerzo efectivo constante con ninguacuten cambio de agua
en los poros siendo dependiente del tiempo esto ocurre por el reajuste del suelo
Colapso disminucioacuten raacutepida de volumen del suelo producida por el aumento de
los siguientes factores contenido de humedad grado de saturacioacuten tensioacuten
mediante actuante tensioacuten de corte y presioacuten de poros
Cohesioacuten es la atraccioacuten entre partiacuteculas originada por fuerzas moleculares y
peliacuteculas de agua Por lo tanto la cohesioacuten de un suelo variaraacute si cambia el
contenido de humedad esta propiedad se mide en kgcm2
Criterio de falla se da cuando en una familia de facetas de la tensioacuten alcanza
una inclinacioacuten criacutetica (f) con la normal a la faceta La ruptura seraacute cuando la
tensioacuten tangencial alcanza el valor mayor de esfuerzos cortantes
Expansioacuten la alteracioacuten de las condiciones naturales de una arcilla que
11
produzcan cambios en el contenido de agua esta se integra con la estructura
laminar de la arcilla y si estaacute confinado presentara una elevacioacuten en las presiones
internas del material
Factor de seguridad es empleado para comprender cuaacutel es el factor de que el
talud falle en las peores condiciones de comportamiento Fellenius (1927)
presentoacute el factor de seguridad como la relacioacuten entre la resistencia al corte real
calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte criacuteticos que tratan de
producir la falla a lo largo de una superficie supuesta
Friccioacuten es la resistencia al deslizamiento causado por la friccioacuten existente entre
las superficies de contacto de las partiacuteculas y su densidad de tal manera que es el
aacutengulo cuya tangente es la relacioacuten entre la fuerza que resiste el deslizamiento a
lo largo de un plano y fuerza normal aplicada a este plano
Geomecaacutenico implica el estudio geoloacutegico del comportamiento del suelo y las
rocas
Grietas de contraccioacuten fisuras relativamente anchas respecto a la longitud que
se abren cuando se contrae el suelo o una roca Su formacioacuten constituye un
fenoacutemeno caracteriacutestico de los suelos arcillosos que al descascararse forman una
red poligonal de las grietas de retraccioacuten
Grietas en cuntildea son verticales y son producidas en regiones friacuteas que se
encuentran formadas tras la congelacioacuten raacutepida del suelo
Hinchamiento separacioacuten de las laacuteminas que componen las arcillas por la
absorcioacuten de agua en el espacio inter-laminar
12
Iacutendice de plasticidad diferencia numeacuterica entre el Limite Liquido y el Limite
Plaacutestico Define el campo plaacutestico de un suelo y representa el porcentaje de
humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plaacutestico
Inestabilidad desequilibrio fluctuacioacuten e inconsistencia de un terreno cuando es
afectado por agentes externos
Limite liacutequido es el contenido de agua expresado en porcentaje respecto al
peso del suelo seco que delimita la transicioacuten entre el estado liacutequido y plaacutestico de
un suelo remoldeado o amasado
Liacutemite de contraccioacuten contenido de humedad por debajo del cual se produce
una reduccioacuten adicional de volumen o contraccioacuten en el suelo
Ladera declive lateral de un terreno cuya pendiente se conforma a traveacutes del
aacutengulo que se formoacute con la horizontal
Sensitividad proporcioacuten de la resistencia a compresioacuten simple en estado
inalterado entre la del estado remoldeado
Sensibilidad de paraacutemetros geoteacutecnicos es el anaacutelisis del comportamiento de
las propiedades que influyen en la estabilidad de taludes
Suelo parte superficial de la corteza terrestre bioloacutegicamente activa que proviene
de la desintegracioacuten o alteracioacuten fiacutesica
Suelos colapsables son los suelos que presentan un cambio de relacioacuten entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia uacuteltima
del material A este grupo pertenecen las arcillas cementadas los limos y rocas
13
de gran porosidad
Suelo expansivo es un tipo de suelo capaz de producir un aumento de volumen
en relacioacuten con los cambios de humedad que puedan llegar a presentarse Dichos
materiales tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla
debido a su estructura
Suelos desmoronables suelos en los que sin la presencia o cambio de
condiciones son capaces de producir colapso donde no existe un cambio abrupto
en relacioacuten presioacuten-deformacioacuten La saturacioacuten produce un cambio volumeacutetrico
debido al incremento de presioacuten de poros que origina la resistencia al corte del
suelo
Talud porcioacuten de tierra elevada de dimensiones variables generalmente
rematando por una cuneta y caracterizado por una vegetacioacuten especiacutefica Dicho
elemento es construido con el tiempo pero tambieacuten puede ser producto de la
ejecucioacuten realizada con una construccioacuten artificial con tierra o piedra de tal
manera que es conformada con cualquier superficie inclinada respecto a la
horizontal
Terreno porcioacuten de espacio generalmente plano de tierra en el cual no se tiene
nada construido de tal manera que se trata de un aacuterea en la que no existe un
edificio o algo que cubra la superficie del mismo
14
INTRODUCCIOacuteN
Uno de los problemas caracteriacutesticos de la ingenieriacutea civil es la estabilidad de
taludes ya que los suelos presentan comportamientos dependiendo de la
estructura que lo componen y de los factores tanto extriacutensecos como intriacutensecos
generando movimiento de tierras que pueden terminar siendo generadores de
procesos de remocioacuten en masa como deslizamientos debidos a fallas rotacionales
o traslacionales o caiacutedas de rocas y detritos generando afectaciones socio-
econoacutemicas a la regioacuten Por ello es importante abordar temas como la estabilidad
de taludes en suelos expansivos como lo son la arcilla de alta plasticidad (CH)
arcilla de baja plasticidad (CL) y limo de alta plasticidad (MH) con el fin de
identificar el comportamientos de dichos suelos ante variables geomeacutetricas de
nivel freaacutetico y sismo A partir de las propiedades geomecaacutenicas de los suelos
expansivos en estudio se modelan los taludes de los diferentes perfiles
estratigraacuteficos con la correspondiente asignacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos
por medio del software Slide reg en el que al variar las condiciones de sismo y
contenido de agua se analiza la influencia que tienen en el factor de seguridad del
talud
La escasez de informacioacuten en el tema del comportamiento de suelos expansivos
genera la importancia necesaria para estudiar y analizar el tema a profundidad
creando herramientas dirigidas a ingenieros civiles tanto en campo como en
oficina para disentildeos oacuteptimos de taludes
15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El territorio colombiano presenta variedad de suelos expansivos por su
complejidad en el comportamiento mecaacutenico se hace necesario conocer la
inestabilidad que pueden presentar principalmente este tipo de suelos1 Es asiacute
como en varias zonas de Colombia se evidencian climas friacuteos-secos lo que
ocasiona una condicioacuten de sequedad que hace que algunos tramos en los taludes
presenten caracteriacutesticas de suelos expansivos2 que se caracterizan por tener
liacutemites miacutenimos y maacuteximos de contenido de humedad entre los cuales se
presenta la expansioacuten y contraccioacuten
De esta manera se identifica que los suelos compuestos por arcillas y limos que
son capaces de retener gran cantidad de agua debido a su estructura este
proceso induce a movimientos que generan grietas y asentamientos del terreno
afectando directamente el comportamiento del suelo problema que se acusa con
los cambios estacionales debido a los ciclos de humedecimiento-secado asiacute
como la ascensioacuten de nivel freaacutetico3 de tal manera que esto presenta un riesgo
para los usuarios de las viacuteas que presentan esta tipologiacutea de material Otra de las
amenazas se identifica cuando ocurre un sismo debido a que estos suelos
tienden a transmitir las ondas del sismo con rapidez y amplitud lo que llega a
generar colapso del talud4
1 MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos
ambientalespg371 2 LEOacuteN SICARD Tomas Enrique Estado del Recurso del Suelo [en liacutenea]
lthttpwwwunperiodicounaleducodperarticleagroquimicos-envenenan-suelos-en-colombiahtmlgt [Citado en 9 de noviembre de 2013] 3ASEFA Patologiacuteas por arcillas expansivas Naturaleza y comportamiento [en liacutenea]
lthttpwwwconcretonlinecomindexphpoption=com_contentampid=3179ampItemid=27gt [citado en 5 agosto del 2015]
4CINNA LOMNITZ Las causas probables de la cataacutestrofe siacutesmica del 19 de septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica
UNAM Ciencia y desarrollo septiembreoctubre 1988 Vol XIV Nuacutem 82 CONACYT
16
Es asiacute como en varios lugares se han reportado movimientos en masa como
deslizamientos y fallas rotacionales en los cortes realizados en laderas debido a
la inestabilidad generada por los materiales de los que se encuentran compuestos
los suelos5
Debido a lo anterior se requiere hacer un estudio a los suelos expansivos los
cuales se identifican mineraloacutegicamente con la determinacioacuten de propiedades
baacutesicas tambieacuten a traveacutes de meacutetodos indirectos del potencial expansivo y
medidas directas de la expansioacuten esto con el fin de observar las caracteriacutesticas
geomecaacutenicas en la ejecucioacuten de taludes seguacuten los factores baacutesicos miacutenimos
descritos en la norma sismo resistente (NSR-10) Titulo H241
Es importante conocer iquestCuaacutel es el comportamiento de los paraacutemetros
geomecaacutenicos de taludes compuestos por suelos expansivos ante variables de
nivel freaacutetico geomeacutetria y sismo
5SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47 regionales [en liacutenea]
lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
17
2 ANTECEDENTES
Uno de los temas de mayor intereacutes en la Ingenieriacutea Civil es la estabilidad del
suelo debido a sus inesperados y diferentes comportamientos para los cuales se
hace necesario el estudio y anaacutelisis taludes con el fin de lograr estabilidad y
factores de seguridad oacuteptimos cuando se encuentran compuestos por suelos
expansivos
Se han presentado diferentes casos en donde se vuelve indispensable realizar
una caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes para el anaacutelisis de la vulnerabilidad
que tiene un sitio referente a un talud en donde se cuenta con aspectos que
definen la amenaza asociada valores encontrados para la vulnerabilidad fiacutesica6
metodologiacutea para la cual se determina el riesgo asociado a dicha vulnerabilidad
En torno a este tema en particular la mayoriacutea de las investigaciones trabajan de
forma aislada la amenaza la vulnerabilidad y no evaluacutean en forma precisa el
riesgo por la accioacuten de procesos de remocioacuten en masa que desestabilizan los
taludes con base en el esquema de la caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes es
posible desarrollar una metodologiacutea que evaluacutee el riesgo asociado a inundaciones
sismos vientos o realizar una metodologiacutea integral que involucre todas esas
variables7
En Colombia se presentan casos diversos de falla en viacuteas un ejemplo es la falla
que ocurrioacute en la viacutea Manizales ndash Mariquita Tramo 5006 Debido a la inadecuada
entrega de la alcantarilla presente en ese sitio esto produjo socavacioacuten en el talud
inferior de la viacutea quitaacutendole el soporte al muro ocasionando su volcamiento Ello
6 HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y vulnerabilidad Fiacutesica por taludes y laderas inestables
en la micro Cuenca de la quebrada Cay Ibagueacute Universidad del Tolima Departamento del Tolima Maestriacutea en
planificacioacuten y manejo ambiental de cuencas 2013 pg 119
7 ibiacuted p 119
18
acelero la rotura de un acueducto veredal que satura el relleno causando paso
restringido de vehiacuteculos a un solo carril8 El objetivo de este estudio fue identificar
las diferentes formas de estabilizacioacuten y plantear la solucioacuten definitiva
correspondiente a un sistema de estructura que consta de pilotes metaacutelicos
generando estabilizacioacuten del talud
La Universidad Nacional incluye en un estudio realizado como parte de la
caracterizacioacuten fiacutesica algunas teacutecnicas para el anaacutelisis de la composicioacuten
mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y propiedades
iacutendice en las arcillas de Barranquilla En donde se tomoacute como base el cambio
volumeacutetrico descrito en la mayoriacutea de investigaciones y como aporte al
conocimiento del comportamiento expansivo de las arcillas del distrito de
Barranquilla (Colombia) con desarrollo de un programa experimental orientado a
caracterizar sus propiedades fiacutesicas micro-estructurales y de comportamiento
geoteacutecnico en muestras naturales inalteradas La caracterizacioacuten fiacutesica incluye
composicioacuten mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y
propiedades iacutendice la microestructura de muestras naturales se analiza
cualitativamente usando teacutecnicas microscoacutepicas (oacuteptica y electroacutenica de barrido) y
deducciones indirectas a partir de curvas de retencioacuten de agua (CRA) por uacuteltimo
el comportamiento geomecaacutenico se enfoca en el estudio del cambio volumeacutetrico
en condiciones de humedecimiento - saturacioacuten y procesos de carga ndash descarga9
Alliacute se concluyoacute que el potencial de expansioacuten colapso bajo carga no depende
exclusivamente de la carga vertical aplicada antes de la saturacioacuten sino de las
condiciones de faacutebrica y succioacuten inicial del material esto difiere en lo que se
encuentra en estudios realizados en la zona10
8 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de
Campoalegre ndash Ciudad de Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
9 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
10 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
19
Se han desarrollado variedad de estudios sobre el comportamiento de suelos
expansivos como ejemplo el libro Expansive Soils editado por Amer Ali Al-Rawas
ampMattheus FA Goosen en el cual se describen avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento de suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar inconvenientes causados por la presencia de
los mismos en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada por la
expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten que presentan
debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel freaacutetico Se analizoacute el efecto
de las teacutecnicas de remoldeo en el hinchamiento de suelos y las propiedades de las
fuerzas de cizallamiento que se presentan en los resultados de los efectos de
meacutetodos sobre la presioacuten por oleaje en el suelo resistencia a la compresioacuten
inconfinada Para lo cual se tomaron tres tipos de suelos CH CL y ML con
muestras inalteradas que fueron seleccionadas en la zona norte de Jordania con
una amplia gama de contenido de arcilla
Las propiedades fiacutesicas de estos suelos incluyendo la gradacioacuten el liacutemite plaacutestico
y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco maacuteximo y el
contenido oacuteptimo de agua se obtienen a traveacutes de las especificaciones con las
que cuentan las normas ASTM Las muestras de suelos perturbados y no
perturbados se obtuvieron de los lugares descritos en el paacuterrafo anterior y fueron
probadas en el laboratorio de mecaacutenica de suelos en Jordan Universidad de
Ciencia y Tecnologiacutea Los especiacutemenes remoldeados estaban preparados para la
compresioacuten inconfinada y los ensayos de hinchazoacuten utilizando tres teacutecnicas de
remoldeo dinaacutemicas estaacuteticas y amasado Esto con el fin de lograr un estudio en
el potencial de hinchamiento de ese tipo de suelos ante los diferentes ensayos La
evaluacioacuten de la presioacuten debida a la hinchazoacuten la inflamacioacuten potencial y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada se vio afectada por el meacutetodo de
remodelacioacuten
20
Por lo tanto de este ensayo se concluyoacute que las muestras inalteradas obtienen
valores altos de presioacuten de hinchamiento la remodelacioacuten dinaacutemica tuvo los
valores maacutes altos de la hinchazoacuten y la compresioacuten inconfinada seguido por la
fuerza estaacutetica y el remoldeo por amasado respectivamente de esta manera se
observa que el contenido inicial de agua afecta tanto a la presioacuten de la hinchazoacuten
como a la resistencia a la compresioacuten inconfinada
De esta manera se encuentra el desarrollo de otro estudio ejecutado en el libro de
Expansive Soils en donde se describe una serie completa de pruebas referidas a
la compresioacuten no confinada (UC) no consolidado no drenado (UU) triaxiales y
columna resonante (RC) se realizaron sobre muestras estabilizadas
quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del sureste de Arlington Texas
despueacutes de haber sido sometido a ciclos (WD) repetidos de humectacioacuten-secado
inducido artificialmente en el laboratorio los cuales arrojaron unos resultados que
se utilizaron para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo plazo la
rigidez el efecto de hincharse y su continua contraccioacuten brindoacute respuesta del
suelo tratado incluyendo resistencia a la compresioacuten no confinada sin olvidar
resistencia al corte moacutedulo de corte dinaacutemico y material de amortiguacioacuten Se
utilizoacute meacutetodos de estabilizacioacuten que incluyen sulfato resistente cemento Tipo V
baja en calcio clase F mosca ceniza cal viva mezclaacutendolas con fibras de
polipropileno Muestras de suelo que se trataron y fueron curadas durante 7 diacuteas y
despueacutes se sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la UC UU y RC
la prueba Un ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua
potable en la sala de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a
140 F Encargoacute caacutemaras wd que permiten el monitoreo de 1-D al hincharse y
encogerse siendo esta la respuesta durante wd repetido Una dosis -por peso del
10 de cemento Tipo V el cual brinda mejor rendimiento general bajo realizado
con el ensayo de la resistencia al corte sin drenaje En donde se halloacute que Las
cenizas presentan malos resultados en comparacioacuten a todos los estabilizadores
21
con una simultaacutenea disminucioacuten de la c y bajo continuo w - d Aunque los valores
de fibras de cal suelo tratado tienden a aumentar con wd repetido Sin embargo
todos los suelos tratados superaron suelo natural despueacutes de 32 ciclos wd con el
tipo del 10 V suelo con cemento tratado mostrando un mejor rendimiento c-
De tal manera que la presencia de agua en este tipo de suelos los hace menos
resistencia a el ensayo de compresioacuten a fuerzas cortantes o de cizallamiento
debido a que alteran su estructura interna generando comportamientos
inadecuados para el cuerpo ingenieril debido a que se veraacuten afectadas las
construcciones realizadas sobre los mismos de esta manera seraacute necesario hacer
un tratamiento de estabilizacioacuten para proveer caracteriacutesticas mecaacutenicas
apropiadas de los suelos expansivos 11
11
Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos
y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
22
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos
por suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos
23
4 JUSTIFICACIOacuteN
Los suelos expansivos presentan algunas propiedades que pueden llegar a
generar variaciones en el comportamiento del suelo como los cambios
volumeacutetricos en presencia o ausencia de agua produciendo expansioacuten y
contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad portante y resistencia al corte
cuando se incrementa el contenido de agua
Al realizar cortes en laderas se presenta un cambio en la condicioacuten de resistencia
inicial del material lo que genera inestabilidad y un inminente riesgo el
comportamiento del suelo se analiza a traveacutes de la sensibilizacioacuten de paraacutemetros
que conduce a la mejora del factor de seguridad con respecto al disentildeo debido a
esto se llevoacute a cabo una comparacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes
los cuales brindaron soluciones oacuteptimas para el disentildeo de los mismos en suelos
expansivos
Es importante realizar el estudio de suelos expansivos y su comportamiento en
taludes ya que este tipo de suelos generan desplazamientos de materiales
Debido a que los suelos se hidratan y se hinchan estas condiciones se presentan
naturalmente tanto en eacutepocas de lluvia y en eacutepocas de sequia
Los riesgos que presenta en un proceso de estos son
Asentamientos en muros y cimientos
Deformacioacuten en los pavimentos y aceras
Movimientos de laderas
Roturas de cantildeerias y drenajes
Aparicioacuten de cavidades por disolucioacuten de sales
24
La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento de paraacutemetros
geomecaacutenicos en taludes ante variables de afectacioacuten para lo cual se realizan
aacutebacos que permitan identificar la manera en la que se ven afectados dichos
taludes y asiacute predecir su comportamiento por medio de programas de modelacioacuten
para el disentildeo de taludes con el fin de encontrar el factor de seguridad de disentildeo
y obtener las condiciones necesarias para la construccioacuten del mismo pensando en
el beneficio de la poblacioacuten
25
5 MARCO REFERENCIAL
El trabajo estaacute basado en la presentacioacuten de anaacutelisis sobre el comportamiento de
suelos expansivos en taludes con el fin de observar la inestabilidad del terreno el
cual se manifiesta mediante desplazamientos implicando ruina total o parcial de
sitios aledantildeos en donde se presenta este tipo de procesos de remocioacuten en masa
Este anaacutelisis conduce a un estudio referente a propiedades de los suelos que son
importantes las cuales generan cambios volumeacutetricos en presencia o ausencia de
agua produciendo expansioacuten y contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad
portante y resistencia al corte cuando se incrementa el contenido de agua
Es necesario tener presente conceptos como la composicioacuten y comportamiento
mecaacutenico de suelos expansivos que componen taludes asiacute mismo la afectacioacuten
que pueden generar estos suelos cuando son intervenidos por sismo y lluvia
Para el desarrollo de lo anterior se llevaraacute a cabo la presentacioacuten de los conceptos
tales como arcillas expansivas deslizamientos procesos de remocioacuten en masa
sensibilidad de paraacutemetros y anaacutelisis determiniacutestico
51 MARCO CONCEPTUAL
En el marco conceptual se establecen conceptos relacionados con la
investigacioacuten sobre la presencia de suelos expansivos como arcillas de baja alta
plasticidad y limos de alta plasticidad en taludes debido a que estaacute clase de
suelos tienen caracteriacutesticas de respuestas y comportamientos de expansioacuten y
contraccioacuten asociadas al humedecimiento y secado Por lo tanto la descripcioacuten
de estos comportamientos requiere el uso de un marco conceptual que incorpore
aspectos de anaacutelisis determiniacutesticos y meacutetodos de anaacutelisis con respecto al
comportamiento geomecaacutenico
26
Suelos Expansivos 511
Material susceptible que genera cambios de volumen los cuales se encuentran
directamente relacionados con cambios de humedad o variacioacuten con respecto al
contenido de agua La estructura del material retiene grandes cantidades de agua
lo que puede producir un aumento de volumen notorio12
El contenido de humedades un factor importante cuando se habla de la expansioacuten
de un suelo esto se presenta solo en los suelos expansivos como se observa en
la figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander cuando existen
variaciones climaacuteticas que influyen directamente en el comportamiento
generando grietas en el suelo13
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander
Fuente httpgooglaVWI0V
12
INGSPATRONE J amp PREFUMO JE La accioacuten de los suelos expansivos sobre las cimentaciones meacutetodos de
prevencioacuten y control Paacuteg 1-16[en
linea]lthttpwwwumeduuy_upload_descargaweb_descarga_204_AccindesuelosexpansivosAntildeo 2004gt[citado en 5 de
agosto del 2015]
13 Ibidp12
27
5111 Identificacioacuten de suelos expansivos
Los suelos expansivos se identifican de manera visual por varias caracteriacutesticas
tienen alta plasticidad si se observan en el terreno se encontraraacuten grietas
ocasionadas por la expansioacuten y contraccioacuten constante que sufre dicha superficie
esto se presenta cuando hay variacioacuten de humedad14
La identificacioacuten mineraloacutegica es una de las principales formas por las cuales se
ubican los suelos expansivos debido a que los meacutetodos maacutes recomendados son
difraccioacuten de rayos x anaacutelisis teacutermico diferencial anaacutelisis quiacutemico absorcioacuten de
tinte y la microscoacutepica electroacutenica Las cuales consisten en detectar la presencia
de minerales arcillosos que resultan expansivos15
5112 Ensayos de identificacioacuten de suelos expansivos
Es necesario ejecutar una valoracioacuten frente al comportamiento que puede llegar a
presentar un suelo con presencia de arcillas y limos cuando es sometido a
diferentes situaciones donde se ve alterada su composicioacuten de tal manera que
los diferentes ensayos permiten hacer un acercamiento de lo que sucede en la
realidad y especialmente en casos donde el suelo presenta humedad La tipologiacutea
y descripcioacuten de este tipo de ensayos se presenta en la tabla 1 Ensayos y
laboratorios en suelos descrita a continuacioacuten
14
INGSPATRONE Jamp PREFUMO JE Opcit1-16
15Ibid p1-16
28
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos
ENSAYOS Y LABORATORIOS
DESCRIPCIOgraveN
Hinchamiento Libre
Se humecta el suelo permitiendo una expansioacuten vertical
de una probeta por lo que el confinamiento lateral impide
la deformacioacuten lateral se realiza sobre muestras
inalteradas saturadas
Determinacioacuten de la presioacuten maacutexima del
hinchamiento
Impide la expansioacuten vertical al aplicar tensioacuten vertical
necesaria que compensa dicho hinchamiento se realiza
sobre muestras inalteradas Y saturadas
Ensayo de Lambe
Consiste en la preparacioacuten de una probeta de suelo que
se compacta en condiciones estandarizadas de humedad
inicial de tal manera que se impide una expansioacuten lateral
confinaacutendola en un anillo Una vez producida la
inundacioacuten de la ceacutelula se determina la tensioacuten maacutexima
de tensioacuten mediante un anillo dinamomeacutetrico con el
bastidor quienes se encargan de ejercer la reaccioacuten ante
la fuerza de expansioacuten que manifiesta la muestra al
hinchar El valor de esta tensioacuten maacutexima de hinchamiento
permite una clasificacioacuten cualitativa del material en
funcioacuten de ciertos grados de expansividad
Ensayo de volumen de sedimentacioacuten
Este criterio fue dado por Holtz y Gibbs el cual se utilizaba
para averiguar el potencial de hinchamiento de un suelo
consiste en depositar 10 cm3 de suelo seco que pase por
el tamiz Nordm40 en un cilindro graduado con 100 cm3 de
agua y se observa el aumento del volumen de la muestra
una vez sedimentada debido al hinchamiento dio
resultado se expresa en porcentaje de aumento de
volumen respecto al volumen inicial del suelo
Liacutemite Liacutequido
Es el contenido de humedad para el cual el suelo pasa
de un estado liacutequido a plaacutestico el ensayo que permite
determinar el liacutemite liquido consiste en colocar diferentes
muestras de suelo con humedad variable en un
recipiente o taza metaacutelica accionada por medio de una
manivela que se encarga de levantarla y dejarla caer
29
Fuente compilacioacuten propia tomado de Ensayos sobre suelos expansivos[en
liacutenea]lthttpwwwestudiosgeotecnicosinfoindexphpensayos-laboratorio-suelos-expansivosgt [citado en 5 de agosto del
2015]
Liacutemite liacutequido
repetidas veces Antes de inicia el ensayo se realiza una
ranura de diferentes dimensiones con una espaacutetula
contando el nuacutemero de golpes con el fin de que la ranura
quede frac12 pulgada cerrada Dichos datos se grafican y
cuando la curva obtenida corta la liacutenea correspondiente a
los 25 golpes se considera este valor como el limite
liquido del suelo
Liacutemite Plaacutestico
Es el contenido de humedad para el cual se cambia del
estado plaacutestico al semisoacutelido de tal manera que en el
estado plaacutestico el suelo es semi moldeable mientras que
en el semisoacutelido se agrieta amoldaacutendose El limite plaacutestico
queda definido cuando el suelo contiene justo la humedad
necesaria para que al amasar manualmente bastoncitos
de 03 cm estos no se agrieten y se rompan
Liacutemite de Retraccioacuten
Este liacutemite queda determinado por la miacutenima cantidad de
agua necesaria para llenar los poros de una muestra de
suelo seco a este liacutemite corresponde el menor volumen de
la masa del suelo determinado por la frontera entre el
estado soacutelido y semisoacutelido En las arcillas este liacutemite
alcanza el 5 y el 10 lo que indica que la capacidad
portante se incrementa a medida que disminuye el
porcentaje de humedad
Ensayo de Triaxial
A traveacutes de esta prueba se identifican las propiedades
de tensioacuten- deformacioacuten del suelo en este ensayo una
muestra de suelo ciliacutendrica normalmente con una
relacioacuten de altura-diaacutemetro se somete a dos
incrementos de tensioacuten axial y radial dicha muestra se
encuentra protegida con una membrana y las tensiones
radiales son impuestas por una presioacuten de confinamiento
en todas sus caras Los esfuerzos axiales son impuestos
por un vaacutestago que penetra la caacutemara de confinamiento
hasta que se produce la rotura
30
De esta manera se hace necesario identificar los tipos de deslizamientos que se
presentan en taludes los cuales generan un proceso de remocioacuten en masa
afectando de manera directa la poblacioacuten a niveles sociales econoacutemicos entre
otros identificados en la tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Fuente Compilacioacuten propia del libro de Suarez Jaime Diacuteaz Deslizamientos y estabilidad de taludes
31
ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL
BLANDO
ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES
TIPO IMAGEN
MATERIAL HOMOGENEO
MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
Seguacuten la composicioacuten y estructura del talud se produce un tipo deslizamiento esto
puede observarse en la tabla 3Efectos de la estructura en la formacioacuten de
deslizamientos de rotacioacuten donde se describe el efecto del deslizamiento
causado seguacuten la estructura del talud
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten
32
Por lo tanto Los paraacutemetros geomecaacutenicos son elementos necesarios que ayudan
a la comprensioacuten del anaacutelisis con respecto al comportamiento del suelo en el
presente trabajo se hace el estudio de los paraacutemetros descritos en la tabla 4
Paraacutemetros geomecaacutenicos
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Conociendo los paraacutemetros geomecaacutenicos que componen cada uno de los suelos
se identifica el concepto de remocioacuten en masa el cual es el desplazamiento de
grandes voluacutemenes de material superficial descrito de manera detallada en la
tabla 5Procesos de remocioacuten en masa
PARAacuteMETRO CONCEPTO ECUACIONES DESCRIPCIOacuteN
DENSIDAD
Relacioacuten entre la unidad de peso y la unidad de
voluacutemen de la fase soacutelida del suelo siendo maacutes o
menos constante ya que estaacute determinado por la
composicioacuten quiacutemica y mineraloacutegica de la fase
soacutelida
ρ=mV
ρ= densidad
m= masa
V= volumen
PESO ESPEacuteCIFICO
Se definen peso especiacutefico relativo a la relacioacuten entre
el peso especiacutefico de una sustancia y el peso
especiacutefico del agua destilada a 4 grados centigrados
sujeta a una atmoacutesfera de presioacuten
Pc=pV
Pc= Peso especigravefico
P=Peso
V= volumen
CARACTERISTICAS
ESTRUCTURALES
Se refiere a la orientacioacuten de las discontinuidades
tamantildeo y forma de rocas espaciado grado de
fracturacioacuten del macizo rocoso aacutengulo de inclinacioacuten
No aplica
EFECTO DEL AGUA
La estabilidad del talud y resistencia al cizallamiento
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos
33
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa
Fuente Ajustado de httpjulsgeoambientaljimdocomportafolioremocioacuten en masa
Es asiacute como el subsuelo o sustrato es la capa de suelo debajo de la capa
superficial de la tierra El cual incluye sustancias como arcilla yo arena que soacutelo
han sido parcialmente desglosadas por aire luz solar agua viento etc para
producir suelo verdadero Debajo del subsuelo estaacute el sustrato que puede
ser rocoso de sedimentos o depoacutesitos eoacutelicos en gran medida afectados por
factores formadores de suelo activo en el subsuelo El subsuelo contiene
LITOLOacuteGICOS ESTRUCTURALES TOPOGRAacuteFICOS ANTROacutePICOS TECTOacuteNICOS CLIMAacuteTICOS
El material superficial
se encuentra suelto y
puede ser removido
con facilidad en una
ladera por efecto de la
presioacuten de una
cantidad de agua
necesariamente si
bajo este material
superficial existe roca
consolidada e
impermeable
En el relieve se
presentan grietas o
diaclasas juntas que
por efecto de la
meteorizacioacuten fiacutesica
quiacutemica o bioloacutegica
provocan el
desmenuzamiento o
descomposicioacuten de
las rocas
Existen laderas de
montantildeas de colinas
con pendiente
abruptas o de terrenos
muy inclinados
En aacutereas con
pendientes
fuertemente taladas
(deforestadas) por el
hombre el material
superficial queda
expuesto a la
intemperie
Las ondas siacutesmicas
provocan el
desplazamientode
materiales
superficiales o de
unidades maacutes
importantes del relieve
como puede ser un
aacuterea accidentada o
no
Caen fuertes
precipitaciones o
caen de manera
continua provocan
deslizamientos sea
por aumento de
sobrecarga o por
cambios extremos en
las temperaturas las
cuales quiebran los
mantos rocosos
Es el desplazamiento de grandes voluacutemenes de material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por accioacuten directa de la fuerza de
gravedad hasta volver a encontrar un nuevo punto de reposo Los movimientos de masa se presentan sobre todo en la eacutepoca lluviosa o
durante una actividad siacutesmica
PROCESOS DE REMOCIOacuteN EN MASA
Se produce porque la fuerza actuante (sobrecarga) que es originada normalmente por el agua ejerce una presioacuten hacia abajo que rompe el
equilibrio existente hasta ese momento la gravedad proporciona la energiacutea adicional requerida para que se produzca el movimiento
descendente En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve se origina fundamentalmente por los movimientos siacutesmicos
FACTORES
CONCEPTO
ORIGEN
MOVIMIENTOS COMUNES
Formacioacuten de una superficiede ruptura recta o
curvada a partir de la cual se desplaza toda la
porcioacuten de terreno separada del conjunto con
la misma velocidad en todas sus partes
conservando su estructura y forma original
DESLIZAMIENTOS REPTACIOacuteN
Movimiento lento del suelo yo de detritos
rocosos cuesta abajo por lo general no
perceptible que afecta la parte superficial de
la ladera la capa de suelo y en algunos casos
la parte superior de la roca alterada Causas
lluvias o de fusioacuten de nieves que saturan los
suelos en ambientes huacutemedos y sobre
laderas con pendientes moderadas
DERRUMBAMIENTO
Incluye movimientos y caida directa de
material rocoso de variable dimensiones
Son causados por La fuerza gravitacional de
la tierra Grado e inestabilidad de fracturas de
la roca Efecto de meteorizacioacuten Efectos de
congelamiento del agua en las fracturas
34
partiacuteculas parcialmente degradadas por lo general de un tono maacutes claro de color
marroacuten o amarillo y contiene las raiacuteces profundas de las plantas grandes como los
aacuterboles
Existen diferentes meacutetodos de exploracioacuten para tomar muestras alteradas e
inalteradas
Una muestra alterada es aquella que estaacute constituida por material
disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales
para conservar las caracteriacutesticas de estructura y humedad in situ no
obstante en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua
original del suelo para lo cual las muestras se envasan en recipientes
impermeables y se transportan de forma que esteacuten protegidas de los
agentes atmosfeacutericos Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de
suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice y preparar especiacutemenes
compactados para someterlos a pruebas mecaacutenicas (SAHOP 1974)
Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura no
sufre de alteraciones quiacutemicas ni de humedad es decir conserva las
propiedades que teniacutea in situ Estas muestras se utilizan en el laboratorio
para identificar el tipo de suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice
y mecaacutenicas16
Las muestras inalteradas se obtendraacuten de suelos finos que pueden labrarse sin
que se disgreguen La obtencioacuten puede efectuarse en el piso o en las paredes de
una excavacioacuten como en un pozo a cielo abierto en la superficie del terreno
natural o en la de una terraceriacutea La excavacioacuten para obtener una muestra deberaacute
16Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015]
35
ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extraccioacuten de
la misma Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo
en su estado natural por lo que su obtencioacuten empaque y transporte requieren
cuidados especiales a fin de no alterarlas Las muestras deben ser identificadas
claramente Las superficies que esteacuten expuestas deben ser protegidas con
material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que
amortiguumlen las vibraciones que pudiera sufrir 17
5113 Problemas de los suelos expansivos en taludes y laderas ante
solicitaciones
Los terrenos con pendiente pronunciadas son aquellos que tienen susceptibilidad
ante fenoacutemenos como lo son los deslizamientos amplificacioacuten siacutesmica entre
otros18
Un sismo en materiales expansivos brindaraacute una respuesta dinaacutemica generada
por los suelos esto dependeraacute de las condiciones del esfuerzo de confinamiento y
del nivel de deformacioacuten que presenten los materiales de esta manera el suelo
no disipara energiacutea por poco amortiguamiento y la degradacioacuten a traveacutes de los
ciclos seraacute pequentildea lo cual indica una respuesta elaacutestica lineal Es asiacute como a
grandes deformaciones el suelo disipa mayor energiacutea por alto amortiguamiento y
la presioacuten de poro iguala el esfuerzo efectivo de confinamiento producieacutendose un
deterioro del suelo y por consiguiente la peacuterdida de resistencia por lo tanto la
respuesta es no lineal donde la rigidez decrece con el nuacutemero de ciclos19
17
Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015] 18
Criterio para calificar los suelos con fines urbanos [en liacutenea]lt httpesslidesharenetcarlosjcamachopresentacin-
de-la-materia-3742687gt [citado en 3 de octubre del 2009] 19
Comportamiento Dinaacutemico de las Arcillas [en liacutenea]
lthttpwwwptolomeounammx8080jspuibitstream132248521006014A4pdfgt[citado en 2 de enero del 2009]
36
Otro de las solicitaciones que modifican el estado de un talud se refiere a la
cantidad de agua que se infiltre por el suelo debido a que los periodos climaacuteticos
del antildeo se modifican y dependiendo de la cantidad de precipitacioacuten aumentaraacute o
disminuiraacute el nivel freaacutetico es asiacute como los suelos expansivos sufriraacuten aumento o
disminucioacuten de volumen seguacuten la cantidad de agua sea mayor o menor lo que
causara el hinchamiento en eacutepocas de lluvia y retracciones en eacutepoca seca
generando grietas y posterior rotura del suelo
Por consiguiente la gravedad podraacute causar deslizamientos con este tipo de suelos
De esta manera se presentaran perdida de asentamientos en muros y cimientos
deformacioacuten en pavimentos en las aceras movimientos de laderas y aparicioacuten de
cavidades por disolucioacuten de sales
En el caso de las cargas soportadas por suelos expansivos como lo son
pequentildeas zapatas soportando cargas livianas son faacutecilmente levantadas
mientras que cuando las zapatas son de gran tamantildeo y soportan cargas pesadas
no ocurre este proceso20
5114 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Dentro de los meacutetodos de exploracioacuten de suelos existen dos clasificaciones
meacutetodos directos y meacutetodos indirectos En la tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de
suelos se muestra una clasificacioacuten general de los meacutetodos de exploracioacuten maacutes
usuales y una breve descripcioacuten21
20
Villalaz Carlos Crespo Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta edicioacuten MexicoLimusa2004ISBN 968-18-6489-1
21 Tesis Meacutetodos de exploracioacuten de suelos [En liacutenea] lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en
23 de Junio de 2015]
37
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Meacutetodo Descripcioacuten
Meacutetodos
directos
Pozos a cielo
abierto
Es el meacutetodo maacutes satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo
Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse
en eacutel examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer
muestras alteradas e inalteradas Su aplicacioacuten eficiente resulta sobre suelos
cohesivos
Pala
posteadora
Es un meacutetodo manual de exploracioacuten somera que consiste en hincar un barreno y
obtener muestras del tipo alterado pero representativas en cuanto al contenido de
agua Se utiliza en lugares donde otros equipos mecaacutenicos no pueden ser usados
Tubo Shelby Consiste en un tubo afilado de 75 a 10 cm de diaacutemetro que se hincan a presioacuten
para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o
semiduros
Sondeo de
penetracioacuten
estaacutendar
Con esta teacutecnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la
resistencia al corte con el nuacutemero de golpes con el que se hinca el penetroacutemetro
una distancia de 30 cm El equipo consta de un penetroacutemetro el cual se hinca a
golpes mediante un martinete de 635 kg que cae desde 76 cm de alto
Muestreador
Denison
Consiste en dos tubos conceacutentricos que se hinca en el suelo para obtener
muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyeccioacuten de fluido de
perforacioacuten que se hace circular entre ambos tubos
Meacutetodos
indirectos
Meacutetodo
siacutesmico
Consiste en provocar una explosioacuten en un punto determinado del aacuterea a explorar
usando una pequentildea carga de explosivo usualmente nitro amonio Por la zona a
explorar se situacutean geoacutefonos cada 15 oacute 30 cm Este procedimiento se funda en la
velocidad de propagacioacuten de las ondas vibratorias de tipo siacutesmico a traveacutes de
diferentes medios materiales
Meacutetodo de
resistividad
eleacutectrica
Consiste en inducir una corriente eleacutectrica a traveacutes de los suelos de tal forma que
se presente una mayor o menor resistividad eleacutectrica para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo Mayores resistividades corresponden a rocas
duras siguiendo con rocas suaves y asiacute sucesivamente hasta valores menores
correspondientes a suelos suaves saturados
Meacutetodos
magneacuteticos y
gravimeacutetricos
Para el primero se utiliza un magnetoacutemetro que mide la componente vertical del
campo magneacutetico terrestre en la zona considerada en varias estaciones
proacuteximas entre siacute En los meacutetodos gravimeacutetricos se mide a aceleracioacuten del
campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar La informacioacuten
que proveen estos meacutetodos es algo erraacutetica y difiacutecil de interpretar
Fuente Ajustado de httptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdf
38
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 512
Se describen los diferentes meacutetodos de anaacutelisis en taludes con la finalidad de
observar la diferencia entre los mismos e identificar cuaacutel de ellos cumple con la
desarrollo del trabajo en el anaacutelisis del valor de factor de seguridad resumidos en
la graacutefica 2 Meacutetodos de caacutelculo
5121 Meacutetodos de equilibrio liacutemite
Se basan en leyes de la estaacutetica determinando el estado de equilibrio de un
terreno inestable No tienen en cuenta las deformaciones del terreno Suponen
que la resistencia al corte se moviliza total y concordantemente a lo largo de la
superficie de corte Se pueden clasificar en dos grupos
bull Meacutetodos exactos
bull Meacutetodos no exactos
5122 Meacutetodos exactos
El uso de las leyes de la estaacutetica da una solucioacuten exacta al problema Esto soacutelo es
posible en taludes de geometriacutea sencilla como por ejemplo la rotura planar y la
rotura por cuntildeas
5123 Meacutetodos no exactos
En la mayoriacutea de los casos la geometriacutea de la superficie de rotura no permite
obtener una solucioacuten exacta del problema solamente mediante la aplicacioacuten de las
leyes de la estaacutetica El problema es hiperestaacutetico y ha de hacerse alguna hipoacutetesis
previa que permita su resolucioacuten Se pueden tomar los meacutetodos que consideran el
equilibrio global de masa deslizante hoy en desuso y los meacutetodos de las dovelas
o rebanadas que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas
verticales
39
Los meacutetodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en
Meacutetodos aproximados que no cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica
Se pueden nombrar los meacutetodos de Fellenius Janbu y Bishop simplificado
Meacutetodos completos que cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica Los
conocidos son los meacutetodos de Morgenstern-Price Spencer y Bishop
riguroso
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo
Fuente Propia
A traveacutes de los meacutetodos de caacutelculo se desarrollan los meacutetodos de anaacutelisis para
estabilidad de taludes estos son de gran importancia para el desarrollo a nivel
numeacuterico con el fin de identificar que sucede en un talud al cambiar y modificar
ciertos paraacutemetros geomecaacutenicos mostrados dichos meacutetodos en la tabla 7
Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
40
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
Meacutetodo de
tablas o
nuacutemero de
estabilidad
Para los taludes simples homogeacuteneos se han desarrollado tablas que
permiten un caacutelculo raacutepido del factor de seguridad Existe una gran cantidad
de tablas desarrolladas por diferentes autores La primera de eacutestas fue
desarrollada por Taylor en 1966 Desde entonces han sido presentadas
varias tablas sucesivamente por Bishop y Morgenstern (1960) Hunter y
Schuster (1968) Janbuacute (1968) Morgenstern (1963) Spencer (1967)
Terzaghi y Peck (1967) y otros
Meacutetodo del
talud infinito
El meacutetodo del talud infinito es un sistema muy raacutepido y sencillo para
determinar el factor de seguridad de un talud suponiendo un talud largo
con una capa delgada de suelo en el cual cualquier tamantildeo de columna de
suelo es representativo de todo el talud Las suposiciones del meacutetodo del
talud infinito son las siguientes suelo isotroacutepico y homogeacuteneo talud
infinitamente largo y superficie de falla paralela al talud El principal uso del
meacutetodo del talud infinito es la elaboracioacuten de planos de amenaza a los
deslizamientos mediante el uso de SIGS
Meacutetodo del
bloque
deslizante
El anaacutelisis de bloque puede utilizarse cuando existe a una determinada
profundidad una superficie de debilidad relativamente recta y delgada La
masa que se mueve puede dividirse en dos o maacutes bloques y el equilibrio de
cada bloque se considera independientemente utilizando las fuerzas entre
bloques No considera la deformacioacuten de los bloques y es uacutetil cuando existe
un manto deacutebil o cuando aparece un manto muy duro sobre el cual se
puede presentar el deslizamiento
Meacutetodo
Ordinario o
de Fellenius
Conocido tambieacuten como meacutetodo Sueco meacutetodo de las Dovelas o meacutetodo
USBR Este meacutetodo asume superficies de falla circulares divide el aacuterea
de falla en tajadas verticales obtiene las fuerzas actuantes y resultantes
para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de
Seguridad
41
Meacutetodo de
Bishop
Bishop (1955) presentoacute un meacutetodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta
el efecto de las fuerzas entre las Dovelas El meacutetodo simplificado de Bishop
es uno de los meacutetodos maacutes utilizados actualmente para el caacutelculo de
factores de seguridad de los taludes Aunque el meacutetodo soacutelo satisface el
equilibrio de momentos se considera que los resultados son muy precisos
en comparacioacuten con el meacutetodo ordinario
Meacutetodo de
Janbuacute
El meacutetodo simplificado de Janbuacute se basa en la suposicioacuten de que las
fuerzas entre dovelas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de
cortante Janbuacute considera que las superficies de falla no necesariamente
son circulares y establece un factor de correccioacuten fo El factor fo depende
de la curvatura de la superficie de falla Estos factores de correccioacuten son
solamente aproximados y se basan en anaacutelisis de 30 a 40 casos
Meacutetodo de
Spencer
El meacutetodo de Spencer es un meacutetodo que satisface totalmente el equilibrio
tanto de momentos como de esfuerzos El procedimiento de Spencer
(1967) se basa en la suposicioacuten de que las fuerzas entre dovelas son
paralelas las unas con las otras o sea que tienen el mismo aacutengulo de
inclinacioacuten
Meacutetodo de
Morgenstern
y Price
El meacutetodo de Morgenstern y Price (1965) asume que existe una funcioacuten que
relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas Esta
funcioacuten puede considerarse constante como en el caso del meacutetodo de
Spencer o puede considerarse otro tipo de funcioacuten La posibilidad de
suponer una determinada funcioacuten para determinar los valores de las fuerzas
entre dovelas lo hace un meacutetodo maacutes riguroso que el de Spencer22
Adaptado de Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil
Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
22
Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-
Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
42
52 MARCO LEGAL
Para garantizar la viabilidad normativa del presente trabajo este se encuentra
acorde a los requisitos legales y normativos de la actualidad descritos en la tabla
8 Normatividad
Tabla 8 Normatividad
NORMA OBJETIVO
CE020 Estabilizacioacuten de
Suelos y de Taludes
Establecer las consideraciones teacutecnicas miacutenimas para el mejoramiento requerido de la resistencia de suelos y de la estabilidad de taludes
NSR 2010 Titulo H
Establecer criterios baacutesicos para realizar estudios geoteacutecnicos de edificaciones basados en la investigacioacuten del subsuelo y las caracteriacutesticas arquitectoacutenicas y estructurales de las edificaciones con el fin de proveer las recomendaciones geoteacutecnicas de disentildeo y construccioacuten de excavaciones y rellenos estructuras de contencioacuten cimentaciones rehabilitacioacuten o reforzamiento de edificaciones existentes y la definicioacuten de espectros de disentildeo sismo resistente para soportar los efectos por sismos y por otras amenazas geoteacutecnicas desfavorables
NSR 2010 Titulo A2
Establecer los valores de coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva para el disentildeo la cual se encuentra impliacutecita en la tabla A22 del cual se toma el valor 030 en una escala de 005 hasta 050 desde amenaza siacutesmica baja hasta amenaza siacutesmica alta lo que indica que para efecto de anaacutelisis y disentildeo de taludes se debe emplear la aceleracioacuten maacutexima del terreno en donde el coeficiente siacutesmico de disentildeo para anaacutelisis seudo estaacutetico de taludes KST tiene el valor inferior tomando asiacute el valor de 080 de suelos enrocados y macizos fracturados lo que implica ejecutar una operacioacuten matemaacutetica simple con el fin de obtener el valor de Aa adecuado para el disentildeo dinaacutemico del talud el cual es 025
Fuente Propia
43
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO
En este capiacutetulo se evidencia el enfoque que se expuso en el presente trabajo
dejando claras las caracteriacutesticas principales para el desarrollo de modelos que
presentan el factor de seguridad oacuteptimo en suelos expansivos
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN
El enfoque que se empleo es de caraacutecter cuantitativo y cualitativo ya que se tomoacute
como base de trabajo los estudios realizados en diferentes zonas compuestas por
suelos expansivos
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN
Cuenta con una investigacioacuten tipo analiacutetica ya que se desarrolloacute una matriz de
comparacioacuten entre paraacutemetros mecaacutenicos y geoteacutecnicos comunes en los suelos
expansivos en donde se buscoacute valores miacutenimos de factores de seguridad en
relacioacuten a paraacutemetros de resistencia condiciones geomeacutetricas y factores
naturales
63 DISENtildeO MUESTRAL
Para el trabajo se tiene en cuenta un talud con caracteriacutesticas geoteacutecnicas y
geomeacutetricas establecidas en donde ejecutoacute una comparacioacuten del comportamiento
del talud con respecto a valores de factor de seguridad para lo cual se realiza un
anaacutelisis de la poblacioacuten universo muestra individuo y variables descritas a
continuacioacuten
Poblacioacuten universo 631
La poblacioacuten universo de la investigacioacuten se basa en el anaacutelisis de taludes ya que
es el elemento maacutes grande del cual se tomoacute la muestra con el fin de ejecutar un
44
anaacutelisis de paraacutemetros geomecaacutenicos sobre el comportamiento de la presencia
de suelos expansivos frente a las variables correspondientes
Muestra 632
Consiste en 264 modelos ejecutados en SLIDEreg de donde se tienen en cuenta
valores de Ru= 00 025 y 05 con alturas de 10 m y 20 m aacutengulos de inclinacioacuten
de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm asiacute mismo se realizan 120 modelos adicionales en donde la
altura es de 10 m variando el valor de Ru=00 01 025 05 y aacutengulos de
inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm en donde se tiene en cuenta los paraacutemetros
geomecaacutenicos y geomeacutetricos para diferentes tipos de suelos expansivos
correspondientes
CH Arcilla de alta plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con alta
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
mayor de 50 tacto suave23
CL Arcilla de baja plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con baja
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
menor de 50 tacto suave24
MH Limo de alta plasticidad suelo de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse ante su esfuerzo mecaacutenico limite liquido menor de 50
tacto aacutespero25
23
El sistema unificado de clasificacioacuten de los suelos [en liacutenea]lt
ftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt [citado en 3 de noviembre del
2015]
24 Ibiacuted Cuadro 21
25 Ibiacuted Cuadro 21
45
Individuo 633
Taludes con presencia de suelos expansivos como arcilla de baja alta plasticidad
y limos de alta plasticidad en general
Variables 634
Caracteriacutesticas del suelo del talud humedad del suelo que conforma el talud
inclinacioacuten de talud aacutengulo de friccioacuten del suelo cohesioacuten nivel freaacutetico factor
de seguridad Tabla 9 Variables
Tabla 9 Variables
Fuente Propia
Se establece que para la medicioacuten de variables en el problema de investigacioacuten
del proyecto que se desarrolloacute el cual estaacute basado en el ANAacuteLISIS DE
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
EXPANSIVOS Los meacutetodos que se desarrollan en la estabilizacioacuten de taludes
son
VARIABLES
CUALITATIVAS Tipo de suelo CH CL y MH
CUANTITATIVAS
Humedad del suelo que conforma el talud ndash Nivel Freaacutetico
Inclinacioacuten de talud
Altura de talud
Angulo de friccioacuten
Cohesioacuten
Factor de seguridad
Sismo
46
Meacutetodo de Bishop simplicado a pesar de solo satisface el equilibrio de
momentos y no cumple con la totalidad de las ecuaciones de la estaacutetica
presenta exactitud frente a los resultados que se obtienen en comparacioacuten
con el meacutetodo ordinario de igual manera utiliza las dovelas teniendo en
cuenta las fuerzas entre las mismas y es uno de los maacutes utilizados para
calcular el factor de seguridad de los taludes la principal restriccioacuten del
meacutetodo es que solo considera las superficies circulares (Jaime
Suarez2002)
De igual manera se ejecuta el respectivo anaacutelisis por medio de Software Slidereg
en el cual se tienen en cuenta para los modelos los paraacutemetros descritos
anteriormente
Slidereg ya que es un programa con anaacutelisis de la filtracioacuten incorporando
elementos finitos y funciones que define directamente el usuario de esta
manera el estudio de sensibilidad permite determinar el efecto de las
variables en el factor de seguridad de un talud
64 FASES DEL PROYECTO
A traveacutes de las fases es posible identificar el orden cronoloacutegico en el que se
desarrolla el presente documento para cumplir el objetivo general que es analizar
el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos por
suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo que se
describen a continuacioacuten
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas
47
Actividad 1 Consultar en diferentes fuentes de informacioacuten definiciones de
los paraacutemetros geomecaacutenicos de suelos expansivos que seraacuten estudiados
Actividad 2 Investigacioacuten del subsuelo y conocimiento determinado de
suelos expansivos referenciando los meacutetodos de exploracioacuten
Actividad 3Identificacioacuten problemas que ocasionan estos materiales con
presencia taludes ante solicitaciones de gravedad infiltracioacuten sismo
escorrentiacutea y otros
Actividad 4 Recopilacioacuten de informacioacuten secundaria referente al
comportamiento de estos materiales
Actividad 5 Documentacioacuten de antecedentes referentes a deslizamientos y
amenazas que presente un talud compuesto por suelos expansivos
identificando coacutemo se estudian los deslizamientos y los problemas
geoteacutecnicos que se presentan en estos materiales
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 642
Actividad 1 Definicioacuten de los paraacutemetros a estudiar para la modelacioacuten en
taludes
Actividad 2 Elaboracioacuten de matriz para la definicioacuten del modelo
geoteacutecnico el desarrollo y respuesta del mismo
48
Actividad 3Realizar la instruccioacuten en programas de modelacioacuten para
estabilidad de taludes
Actividad 4 Modelacioacuten geoteacutecnica mediantes equilibrio liacutemite para las
diferentes condiciones de escenarios descritos en la matriz
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 643
Actividad 1Generacioacuten de graacuteficas de resultados de las modelaciones
para la revisioacuten del factor de seguridad
Actividad 2Anaacutelisis del comportamiento de los paraacutemetros geoteacutecnicos
definidos teniendo como base la modelacioacuten realizada en diferentes
escenarios
Actividad 3 Generacioacuten de graacuteficas finales de respuesta del
comportamiento de los paraacutemetros geomecaacutenicos
Actividad 4 Anaacutelisis de resultados respecto a la generacioacuten de graacuteficas
Actividad 6 Generacioacuten y redaccioacuten del documento final
Actividad 7 Generacioacuten de Articulo
49
7 DESARROLLO METODOLOacuteGICO
Por medio de la descripcioacuten detallada de conceptos se obtiene la identificacioacuten de
suelos expansivos a estudiar que como se menciona en el documento son
materiales compuestos por arcillas de alta y baja plasticidad y limos de alta
plasticidad en donde se identifica las caracteriacutesticas mecaacutenicas geoteacutecnicas
fiacutesicas que son claves al momento del anaacutelisis de cada uno de los modelos a
ejecutar en el software Slidereg con el fin de conocer el comportamiento de los
suelos en mencioacuten cuando se tienen variables de sismo nivel freaacutetico y
geometriacutea correspondiente a diferentes aacutengulos de inclinacioacuten 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
y una altura de 10 m 20 m y variaciones con respecto al paraacutemetro Ru de 00
01 025 04 05 en condiciones estaacutetica y dinaacutemica
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS
Se realiza una descripcioacuten detallada acerca de los suelos expansivos que
conforman un talud de los cuales se analiza el factor de seguridad como lo son
arcillas de baja y alta plasticidad y limos de alta plasticidad donde se identifican
las caracteriacutesticas que componen cada uno de estos suelos y la diferencia de los
mismos para su respectiva identificacioacuten descritos en la tabla 10 Descripcioacuten de
suelos expansivos
50
CH CL ML
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGAacuteNICO DE BAJA PLASTICIDAD
Arcillas inorgaacutenicas de alta plasticidad arcillas
grasas
Arcillas inorgaacutenicas de plasticidad baja a mediana
arcillas gravosas arcillas arenosas arcillas limosas
arcillas magras
Limos inorgaacutenicos y arenas muy finas harina de
roca arenas finas limosas o arcillosas o limos
arcillosos de ligera plasticidad
Suelo de grano fino
Diaacutemetro de las partiacuteculas comprendido entre
005 mm y 0005 mm
Color variacutea desde gris claro a muy oscuro
No suelen tener propiedades colidales
A partir de 0002 mm y a medida que
aumenta el tamantildeo de las partiacuteculas se
va haciendo cada vez mayor la
proporcioacuten de minerales no arcillosos
Partiacuteculas forma redondeada
Tacto aacutespero
Mayor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de masa
Se secan con relativa rapidez y no se
pegan a los dedos
Los terrones secos tienen una cohesioacuten
apreciable pero se pueden reducir a
Pueden ser colapsables
Fuerte olor a tierra Ligero olor a tierra Olor no caracteriacutestico a menudo ninguno
Consistencia alta Menor consistencia que las CH Consistencia baja
Estructura blanda Estructura menos blanda que las CH Estructura blanda
Alta capacidad de deformarse sin agrietarse ante
un esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten
al retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse ante un
esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten al
retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse
ante un esfuerzo mecaacutenico conservando la
deformacioacuten al retirarse la carga
Plaacutesticos Plaacutesticos Ligeramente plaacutesticos
Liacutemite liquido mayor de 50 arcillas de alta
contraccioacuten-dilatacioacuten Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos
Los terrones secos se pueden partir
pero no reducir a polvo con los dedos
No son colapsables
Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosos
Partiacuteculas forma laminar
Tacto suave
Menor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de
superficie
GRAacuteFICO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS DE GRANO FINO
SUELOS EXPANSIVOS
Son suelos que al ser humedecidos sufren una expansioacuten que pone en peligro a las estructuras cimentadas sobre ellos
Su comportamieno se caracteriza principalmente por
- La contraccioacuten debido al secado
- La expansioacuten al humedeserce
- Desarrollo de presiones de expansioacuten cuando estaacute confinado y no puede expandirse
Suelen tener propiedades colidales
Suelo de grano fino suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio
hidratados procedentes de la descomposicioacuten de rocas que contienen feldespato como el granito
Diaacutemetro menor de 0005 mm
Presenta diversas coloraciones seguacuten las impurezas que contiene desde el rojo anaranjado hasta el
blanco cuando es pura
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos
Fuente Adaptado de
[En liacutenea] ltftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt[citado en 15 de
octubre del 2015]
[En liacutenea] lt httpesslidesharenetfrkfirtinsuelos-expansivosgt[citado en 15 de octubre del 2015]
[En liacutenea] lthttpwwwfceiaunreduargeologiaygeotecniaDiferenciasgt[citado en 15 de octubre del 2015
51
UNIDAD SUELO-1 SUELO-2 SUELO-3
71 63 43
32 37 24
39 26 19
31 26 23
KNm3 132 139 146
KNm3 141 146 151
24 22 20
CH MH CL
CONTENIDO INICIAL DEL AGUA
CLASIFICACIOacuteN DEL SUELO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
LIMITE DE CONSISTENCIA
COMPACTACIOacuteN
OPTIMO CONTENIDO DE AGUA
DENSIDAD LIBRE MAacuteXIMA
PROPIEDADES FISICAS INALTERADAS DE LA MUESTRA DE SUELO
DENSIDAD LIBRE INICIAL
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLAacuteSTICO
INDICE PLAacuteSTICO
PROPIEDADES
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH
Es necesario conocer las propiedades fiacutesicas de los suelos descrita en la tabla
11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos ya que de estas depende el
comportamiento mecaacutenico que lo mismos presentan ante factores intriacutensecos y
extriacutensecos como los son lluvia y sismo siendo estos importantes al momento de
observar el proceso de remocioacuten en masa de un talud cuando se afecta por estos
factores
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A traveacutes del estudio realizado en el libro expansive Soils se obtienen este tipo de
propiedades fiacutesicas de los materiales que en el presente proyecto se desarrollan
descritos en la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos en el
estudio ejecutado se describe sobre los avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento en suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
52
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar los inconvenientes que la presencia de estos
puedan generar en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada
por la expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten o
dilatacioacuten que presentan debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel
freaacutetico
Por lo tanto el limite liacutequido que presentan los tipos de suelos analizados es para
un CH de 71 MH de 63 y CL de 43 lo que indica que este es el porcentaje
en el que cada uno de estos suelos pasa de un estado liacutequido a uno plaacutestico Es
asiacute como se observa que existe maacutes probabilidad de que ocurra este fenoacutemeno
con la arcilla de alta plasticidad
Con respecto al liacutemite plaacutestico se observan valores obtenidos para un CH 32
MH 37 y 24 que es cuando el suelo pasa de un estado semisoacutelido a uno
plaacutestico siendo mayor para el limo de alta plasticidad
De tal manera que se observa el Iacutendice de plasticidad bajo como por ejemplo del
19 para una arcilla de baja plasticidad la cual significa que un pequentildeo
incremento en el con tenido de humedad del suelo lo transforma de semisoacutelido a
la condicioacuten de liacutequido es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad
Por el contrario un iacutendice de plasticidad alto como por ejemplo del 39
perteneciente a la arcilla de alta plasticidad indica que para que el suelo pase del
estado semisoacutelido al liacutequido se le debe agregar gran cantidad de agua26
Tambieacuten se obtiene el contenido oacuteptimo de agua el cual permite la obtencioacuten de la
26
Liacutemites de Atterberg Iacutendice de Plasticidad Fluidez Retraccioacuten [en liacutenea]lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
53
densidad maacutexima mediante la compactacioacuten que seguacuten tabla 11 Es 31 para un
CH 26 para el MH y 23 para el CL Siendo este valor inversamente
proporcional a la densidad libre maacutexima debido a que entre mayor es el oacuteptimo
contenido de agua menor es la densidad maacutexima
De esta manera se obtienen las propiedades fiacutesicas de los suelos estudiados
haciendo la respectiva clasificacioacuten de los materiales correspondientes a suelos
expansivos
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS
Con el fin de lograr la identificacioacuten de cada uno de los materiales se seleccionan
los paraacutemetros geomecaacutenicos siendo los mismos importantes pues de estos
depende el comportamiento y el valor de factor de seguridad del talud cuando se
relacionan con paraacutemetros geomeacutetricos y de Ru ante factores estaacuteticos y
dinaacutemicos que se describen en los siguientes numerales a partir del 731
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 731
La seleccioacuten de paraacutemetros a raiacutez de la investigacioacuten realizada se consolidoacute
teniendo en cuenta los siguientes datos bibliograacuteficos
En el libro Expansive Soil se observa la descripcioacuten de un estudio donde se
evaluacutea la presioacuten de hinchamiento del suelo el potencial de hinchamiento y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada de muestras alteradas e inalteradas de
suelos expansivos De donde se describen tres tipos de suelos seleccionados de
la parte norte de Jordania con una amplia gama de contenido de arcilla
caracterizando las propiedades fiacutesicas de estos suelos como la gradacioacuten el
liacutemite plaacutestico y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco
54
maacuteximo y el contenido oacuteptimo de agua de donde se tienen en cuenta las normas
ASTM para consolidar los resultados en la Tabla 11 del presente documento
Razoacuten por la cual se toman valores de peso especiacutefico para MH CH y CL ya que
el estudio que se explicoacute anteriormente estuvo basado en muestras de suelos
inalteradas en zonas altamente arcillosas con caracteriacutesticas similares a las que
se analizan
Otro de los estudios realizados en el libro de Expansive Soils trata de una serie
completa de pruebas de la compresioacuten inconfinada (UC) no consolidado no
drenado (UU) triaxiales y columna resonante (RC) en donde se realizan sobre
muestras estabilizadas quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del
sureste de Arlington Texas despueacutes de haber sido sometido a ciclos repetitivos
de humectacioacuten-secado (WD) inducido artificialmente en el laboratorio Se
utilizan los resultados para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo
plazo la rigidez y unidimensional (1-D) hinchazoacuten y contraccioacuten como respuesta
del suelo tratado incluyendo la resistencia a la compresioacuten inconfinada
paraacutemetros de resistencia al corte sin drenaje moacutedulo de corte dinaacutemico y
material de amortiguacioacuten
Los Meacutetodos de estabilizacioacuten incluyen sulfato resistente cemento Tipo V bajo en
calcio clase F de ceniza volaacutetil cal viva y se mezcla con fibras de polipropileno
Dichas muestras de suelo tratadas se curaron durante 7 diacuteas y despueacutes se
sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la prueba UC UU y RCl Un
ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua potable en la sala
de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a 140 degF En cambio
las caacutemaras wd permiten el monitoreo de 1-D expansioacuten-contraccioacuten que brinda
respuesta durante wd repetido Una dosis por peso 10 de cemento Tipo V
parece dar mejor rendimiento general bajo wd ciacuteclico
55
Es de esta manera como se busca resumir los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados descritos en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
natural antes de ser tratado En la misma tabla indicada pero en la fuente
bibliograacutefica se presentan los demaacutes resultados como resumen de los paraacutemetros
de resistencia al cortante (c-ɸ) obtenidos de ensayos triaxiales UU que en este
caso se omitieron debido a que nuestro estudio estaacute basado en suelos expansivos
sin tratar
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no
drenado Suelo natural antes de ser tratado
Nuacutemero de
ciclos w-d C (psi) C (KPa)
de
cambio
ɸ
(deg)
de
cambio
Suelo
Natural
0 68 469 00 06 00
1 65 449 - 44 06 00
2 67 462 - 15 06 00
4 63 435 - 74 06 00
8 69 476 + 15 06 00
16 69 473 + 07 06 00
32 69 476 + 15 06 00
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 129 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681
Los valores que se encuentran resaltados en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
56
natural antes de ser tratado fueron utilizados en el trabajo para los paraacutemetros del
material arcilla de alta plasticidad (CH)
A continuacioacuten se presentan las figuras correspondientes a los efectos del
contenido inicial de agua en la presioacuten por hinchamiento para obtener los valores
de cohesioacuten en cada uno de los tipos de suelos estudiados para ello se tiene en
cuenta las propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos resumidos en la tabla
11 donde se especifica el contenido inicial () del agua asiacute CH 24 MH 22 y CL
20 valores con los que se ingresa en el eje vertical para las figuras
correspondientes al suelo compuesto por limo de alta plasticidad y arcilla de baja
plasticidad analizado en condiciones estaacuteticas (la condicioacuten dinaacutemica se tendraacute
en cuenta en el proceso de modelacioacuten)
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH
Tomado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 134 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
57
A partir de la figura 3 se obtiene un valor de
y a su
vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla
inorgaacutenica de alta plasticidad
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para CL
Tomado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 135 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A partir de la figura 4 se obtiene un valor de
y a su vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla inorgaacutenica de alta
plasticidad
En la investigacioacuten se encuentran diferentes paraacutemetros para distintos tipos de
suelos de los cuales se analiza y compara con la fuente del libro de Expansive
58
Soils seleccionando los apropiados para ejecutar la modelacioacuten en el software
Slidereg en la Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos en el cual se
evidencian valores comparados con la fuente confiable del libro
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Consistencia
Angulo de friccioacuten
interna
ɸ en grados
Peso
especiacutefico
Kgcm2
Arena gruesa
o arena con
grava
Compacta 40 2250
Suelta 35 1450
Arena media Compacta 40 2080
Suelta 30 1450
Arena limosa
fina o limo
arenoso
Compacta 30 2080
Suelta 25 1365
Limo uniforme Compacta 30 2160
Suelta 25 1365
Arcilla-limo Suave a
mediana 20 1440-1920
Arcilla limosa Suave a
mediana 15 1440-1920
Arcilla Suave a
mediana 01 1440-1920
Fuente Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos [En liacutenea] lt httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-
diferentes-propiedades-de-los-suelosgt [citado en 11 de noviembre del 2015]
59
7311 Paraacutemetros para limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Este tipo de materiales cuentan con suelos de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse antes los esfuerzos mecaacutenicos contando con un liacutemite
liquido menor de 50 Los paraacutemetros para este material se establecen en la tabla
13 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
LIMO INORGAacuteNICO DE ALTA PLASTICIDAD
(MH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 15 146
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se toman de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten correspondiente al efecto del contenido de agua inicial en la
presioacuten de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para MH En
donde se observa la seleccioacuten del paraacutemetro en la graacutefica 3 El efecto del
contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH Ingresando en el eje horizontal con el contenido inicial
del agua descrito en la tabla No 11 Propiedades Fiacutesicas de los suelos
expansivos en la cual se describe un contenido de agua inicial de 22
que para condicioacuten estaacutetica es de 140 Kpa como presioacuten de hinchamiento
60
que permite obtener el valor de la cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten los datos obtenidos de la web ingeniero civil
denominada Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten de la tabla 13
Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos que se encuentra en un blog
peruano creado en agosto de 2010 por John J Rojas se identifica como
un portal que dedica a compartir y difundir temas relacionados con la
ingenieriacutea civil desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico Se describe en el paacuterrafo introductorio del numeral 73 de
seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos y es tomado de la tabla 11
Propiedades fiacutesicas de los suelos
7312 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
La arcilla de alta plasticidad pertenece a suelos inorgaacutenicos de grano muy fino
con baja capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico su
liacutemite liacutequido es mayor a 50 presentando asiacute los paraacutemetros geomecaacutenicos a
continuacioacuten para el respectivo material descrito en la tabla 15 Paraacutemetros
geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
61
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA
PLASTICIDAD
(CH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
469 06 141
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se tomaron de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten se encuentran resumidos los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados el anaacutelisis es efectivo por que el suelo se
presenta en estado natural En la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al
corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural
antes de ser tratado
Aacutengulo de friccioacuten tomado para el suelo natural sin ninguacuten tipo de
estabilizacioacuten ni alteracioacuten en el contenido del mismo basada en las
condiciones iniciales de suelos expansivos despueacutes de haber sido sometida
dicha muestra a ciclos repetitivos de humectacioacuten-secado (WD) inducido
artificialmente en el laboratorio para identificar el comportamiento del mismo
en cuanto a la resistencia al cortante donde el aacutengulo de friccioacuten interna
determina su comportamiento junto con la cohesioacuten resumidas dichas
62
Condiciones en la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para
ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural antes de ser
tratado
Peso especiacutefico este valor se encuentra descrito en el paacuterrafo introductorio
de seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos Tabla 11 Paraacutemetros fiacutesicos de
los suelos expansivos
7313 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
La arcilla de baja plasticidad hace parte de los suelos inorgaacutenicos de grano muy
fino con baja capacidad de deformacioacuten sin sufrir de grietas ente un esfuerzo
mecaacutenico el liacutemite liquido es menor a 50 de esta manera en la tabla 16
Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) se
describen los paraacutemetros a considerar para la modelacioacuten ejecutada
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA
PLASTICIDAD
(CL)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 01 151
Fuente propia
63
Los paraacutemetros relacionados se toman de distintas fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten corresponde al efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten
de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para CL Ingresando en
el eje horizontal con el contenido inicial del agua descrito en la tabla 11
Propiedades Fiacutesicas de los suelos expansivos se describe un contenido de
agua inicial de 20 que para condicioacuten estaacutetica muestra un valor de 140
Kpa como presioacuten de hinchamiento que permite obtener el valor de la
cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten Se obtiene de la web del ingeniero civil denominada
Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten un blog peruano creado en
agosto de 2010 por John J Rojas descrito en la tabla 13 Paraacutemetros de
diferentes tipos de suelos en donde se tiene en cuenta el portal que se
dedica a compartir y difundir temas relacionados con la ingenieriacutea civil
desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico descrito en el paacuterrafo introductorio de seleccioacuten de
paraacutemetros geomecaacutenicos de la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos
expansivos
64
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 732
Para la seleccioacuten del valor cuando hay presencia de sismo en la modelacioacuten del
talud se tiene en cuenta la norma NSR-10 TITULO A de donde se selecciona el
valor del coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva el cual
se determina en su maacuteximo valor de amenaza siacutesmica igual a 030 descrito en la
Tabla A23-1 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y de Av descrito en la
figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y Av
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo A Capitulo A2 Zona de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de
disentildeo
El valor que se selecciona en el paacuterrafo anterior para una amenaza siacutesmica alta
se multiplica por el coeficiente Kst que se utiliza para el anaacutelisis y disentildeo de
taludes en donde se debe incluir la aceleracioacuten maacutexima del terreno teniendo en
cuenta el tipo de material terreo que se manejaraacute en el presente proyecto Tomado
de la tabla H52-1 de la norma sismo resistente Observado en la figura 6
Valores de Kst A max
65
Figura 6Valores de Kst A max
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5Excavaciones y estabilidad de taludes
Seleccionando el valor que pertenece a suelos enrocados y macizos muy
rocosos con un Kst de 080 ya que no se ejecutoacute ninguacuten anaacutelisis de amplificacioacuten
en los suelos expansivos de estudio
El valor se aproxima de 024 a 025 como coeficiente de aceleracioacuten de amenaza
siacutesmica en el disentildeo de los taludes en el software Slide reg
De tal manera que para el anaacutelisis de factor de seguridad de los taludes se tiene
en cuenta el capiacutetulo H en donde se especifican los valores maacuteximos para que el
talud se encuentre en amenaza por un fenoacutemeno de remocioacuten en masa El cual se
puede observar el la figura 7Factores de seguridad indirectos miacutenimos
66
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5 Excavaciones y estabilidad de taludes
7321 Paraacutemetro de presioacuten de poros Ru
Teniendo en cuenta que el Ru es una relacioacuten de poros y esfuerzo vertical se
seleccionan valores de 00 01 025 04 y 05 en donde a medida que aumenta
dicho valor indica el nivel de agua contenido en el suelo del talud para el valor
00 el suelo se encuentra de estado natural-huacutemedo en 025 es un nivel de agua
medio en el talud y 05 talud saturado
67
Paraacutemetros geomeacutetricos 733
En la etapa de recoleccioacuten de datos se investigaron tesis relacionadas con el tema
de donde se tuvo en cuenta el documento desarrollado sobre Influencia Del
Abatimiento Del Nivel Freaacutetico En El Caacutelculo del Factor De Seguridad Para La
Estabilidad De Taludes realizado por el Ingeniero Leonardo Leuro Antildeo
2015Universidad La Gran Colombia
Para lo cual se seleccionan diferentes alturas en la geometriacutea del talud y aacutengulos
de inclinacioacuten estudiados en el proyecto descrito anteriormente los cuales fueron
Aacutengulos 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Alturas de talud de 10 m y 20 m
74 DESARROLLO DEL MODELO
A traveacutes de los paraacutemetros geomecanicos y geomeacutetricos anteriormente descritos
se disentildean taludes con diferentes condiciones con el fin de lograr un anaacutelisis
completo de lo que se presenta en campo descrito en la tabla 17 Matriz de
disentildeo
68
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
Fuente propia
De la cual se generan los modelos teniendo en cuenta los diferentes aacutengulos y
alturas en estado dinaacutemico y estaacutetico para diferentes valores de Ru de donde se
obtienen valores de factor de seguridad para el material de Arcilla de alta
plasticidad limo de alta plasticidad y arcilla de baja plasticidad en el cual se
evidencian los paraacutemetros geomecaacutenicos descritos a partir del numeral 73
Paraacutemetros geomecaacutenicos del presente documento
000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447 2416 2184 1937 1471 1307 1139 1468 1466 1465 0909 0907 0906
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670 1575 1365 1146 0993 0851 0705 0733 0731 0729 0492 0490 0489
10 1991 1983 1975 1404 1398 1392 2007 1817 1624 1380 1246 1111 1377 1376 1374 0882 0881 0880
20 1008 1000 0991 0677 0670 0664 1246 1073 0902 0887 0756 0626 0689 0687 0686 0466 0464 0463
10 1810 1804 1798 1345 1340 1336 1654 1479 1319 1248 1131 1015 1251 1250 1248 0868 0867 0866
20 0958 0951 0945 0649 0644 0638 1011 0858 0705 0763 0646 0527 0623 0622 0621 0460 0459 0458
10 1548 1542 1536 1242 1238 1233 1306 1141 0981 1107 0988 0858 1069 1068 1067 0831 0830 0830
20 0779 0773 0767 0587 0582 0578 0797 0640 0485 0648 0534 0406 0536 0535 0534 0403 0402 0402
30
45
60
75
RuALTURAANGULO
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
Ru Ru
0
Ru
025
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
C (KNM2) φ γ(KNM2)
35 15 146
Ru Ru
C (KNM2) φ γ(KNM2)
CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
35 01 151
69
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 741
Se realiza el disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en
condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 0 en
donde se indica una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Que se
observa en la figura 8Modelo en Slidereg para un CH de donde se obtiene el valor
de factor de seguridad que se muestra en la figura 9 Factor de seguridad CH
estaacutetico
Figura 8 Modelo en slide para un CH
Fuente Propia
70
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico
Fuente Propia
De esta manera se realiza este procedimiento para los materiales de MH Limo de
alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
Se lleva acabo el disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de aacutengulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico brindando asiacute un
factor de seguridad que se muestra en la figura 11 Factor de seguridad para MH
estaacutetico
71
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad para dicho modelo descrito en la
figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Fuente propia
72
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12Modelo de Slidereg para un CL estaacutetico
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad del talud que se observa en la figura
13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Fuente propia
73
En el proceso de modelacioacuten se incluye la condicioacuten de sismicidad en donde en el
Software SLIDEreg se agrega en LOADING seismic load y se coloca el valor de
025 como coeficiente de amenaza siacutesmica Aa
De esta manera se tiene en cuenta la condicioacuten dinaacutemica la cual se realiza en el
disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 para una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Observado en la figura
14Modelo en Slide para un CH dinaacutemico
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico
Fuente Propia
74
Del anterior disentildeo se logra obtener el factor de seguridad que se observa en la
figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Fuente Propia
Es asiacute como se lleva a cabo este procedimiento para los materiales de MH Limo
de alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
El disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 con una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se observa en la figura
16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
75
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad observado en la figura 17 Factor de
seguridad para MH dinaacutemico
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico
Fuente propia
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 0 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 025 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12 Modelo de Slide para un CL estaacutetico el cual se observa
76
en la Figura 18 Modelo de Slide para un CL dinaacutemico
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad del talud en condicioacuten de sismo visto
en la figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Fuente propia
77
De esta manera se modifican en el modelo los valores de Ru=0 025 y 05 y las
alturas de 10m y 20m con aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
relacionaacutendolos entre siacute obteniendo el factor de seguridad para condiciones
estaacuteticas en 144 modelos en condiciones estaacuteticas y dinaacutemicas En la segunda
modelacioacuten se realiza el mismo procedimiento con 120 modelos incluyendo
valores de Ru= 01 y 04 con una altura especifica de 10 metros para diferentes
aacutengulos
De donde se obtiene como resultado la matriz de factores de seguridad que se
muestra en la tabla 17 Valores de factor de seguridad
Tabla 17Valores de factor de seguridad
Fuente propia
De estos resultados se efectuacutea el anaacutelisis de graacuteficas que se observa en el
numeral 8anaacutelisis de resultados comparando el factor de seguridad vs el aacutengulo
para diferentes alturas del talud con presencia de CH MH y CL en
condiciones dinaacutemicas y estaacuteticas como se muestra en la figura 20 Comparacioacuten
de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para Ru=00
CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670
0
Ru
025
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
30
RuALTURAANGULO
78
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten
estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
Fuente propia
De esta manera para los 120 modelos donde los Ru= 00 01 025 04 y 05 con
una altura de 10 metros y aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75 ordm se
elaboran las graacuteficas en Excel con el fin de hacer una comparacioacuten de cada uno
de los aacutengulos con respecto al valor de factor de seguridad vs ru en estado
dinaacutemico y estaacutetico que se muestra en la Figura 21 Graacutefica Factor de seguridad
Vs Ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y altura de 10 m en CH
MH y CL de esta manera se estudian los comportamientos respectivamente en el
iacutetem 8anaacutelisis de resultados
79
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente propia
Con el fin de obtener la cohesioacuten a la que un talud compuesto por suelos
expansivos con aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm a una altura de 10 metros cumple
con los factores de seguridad expuestos en el numeral 732 Seleccioacuten de valores
de sismo y ru en estado estaacutetico y dinaacutemico se ejecuta una sensibilizacioacuten del
paraacutemetro cohesioacuten para los diferentes modelos modificando asiacute el valor de ru
en 00 01 025 04 y 05 siendo 00 la condicioacuten seca o en estado natural del
suelo 025 condicioacuten intermedia de nivel de agua en el talud y 05 condicioacuten de
saturacioacuten mientras que 01 y 04 son valores intermedios
Se realiza el siguiente procedimiento con cada uno de los modelos en donde se
encuentra una modificacioacuten de la geometriacutea (aacutengulo) el valor ru y su condicioacuten
estaacutetica o dinaacutemica
80
1 Se toma como ejemplo el modelo de talud para10 metros con un aacutengulo
de 30ordm con material de arcilla de alta plasticidad se verifica que se
encuentre la seleccioacuten en anaacutelisis Project settings statistics y se
selecciona sensitivity analysis Como se muestra en la figura 22
Sensitividad de paraacutemetros
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros
Fuente propia
2 Se seleccionan las variables y se escriben los valores de cohesioacuten que en
este caso son de 469 knm2 para CH 35 knm2 para CL y 35 knm2 para
MH en cada uno de los modelos correspondientes a cada material y con
su respectiva geometriacutea determinando los rangos de las variables que en
este caso se manejan 20 por encima y por debajo para el CH y 30 por
encima y por debajo para el CL y MH como se muestra en la figura 23
Rangos de variables
81
Figura 23 Rangos de variables
Fuente propia
3 Se corre el modelo con el fin de obtener la falla que presenta el talud y
cuando se obtiene se da clic en statistics sensitivity analysis plot se
selecciona cohesioacuten y el meacutetodo que para este caso es bishop y se da clic
en plot de donde se obtiene la graacutefica factor de seguridad vs cohesioacuten Que
se muestra en la figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud
compuesto por CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
82
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con altura de
10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
Fuente propia
4 La figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por
CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm se exporta a Excel y
se realiza el mismo procedimiento para los aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
para cada uno de los materiales CH MH y CL de donde se modifica la
condicioacuten de ru y de estaacutetico a dinaacutemico de donde se obtienen las graacuteficas
correspondientes a cada uno de los aacutengulos por cada material Como se
muestra en la figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH CL y
MH con altura de 10 m con ru=00 01025 04 y 05 en condicioacuten
estaacutetica y seudo-estaacutetica
83
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con ru=00 en
condicioacuten estaacutetica
Fuente propia
5 Al obtener las graacuteficas para CH MH y CL con condiciones de ru=00 01
025 04 y 05 se traza un liacutenea horizontal en el valor de 15 para condicioacuten
estaacutetica y en 105 para condicioacuten dinaacutemica que se describen en la tabla
7Factores de seguridad indirectos miacutenimos tomados de la NSR-10 y una
liacutenea vertical que intersecta con la liacutenea horizontal con las pendientes
correspondientes a cada uno de los valores de factor de seguridad vs
cohesioacuten que se realiza para cada aacutengulo encontrando asiacute el valor de
cohesioacuten de tal manera que los mismos indican que para las condiciones
geomeacutetricas descritas los valores de cohesioacuten que se muestran en el
anexo 4 Valores de cohesioacuten para suelos expansivos cuando se tiene un
84
valor menor al mostrado en la tabla los valores de factor de seguridad no
cumplen y es necesario realizar una modificacioacuten en el talud con el fin de
obtener estabilidad en la estructura El procedimiento para la obtencioacuten del
valor de cohesioacuten se realiza como se muestra en la figura 26 Valor de
cohesioacuten para un CH con ru=00 en condicioacuten estaacutetica para aacutengulos de
30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y 05 en
condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
85
86
87
88
89
Fuente propia
6 A traveacutes de este proceso se obtienen los resultados que se muestran en el
anexo 4Valores de cohesioacuten para suelos expansivos
90
8 ANALISIS DE RESULTADOS
A continuacioacuten se presentan los resultados y anaacutelisis de comportamiento de los
taludes compuestos por suelos expansivos Dichos resultados se asocian al valor
de factor de seguridad de los modelos disentildeados en el software Slidereg de
acuerdo a paraacutemetros geomecaacutenicos descritos en el titulo 73 Seleccioacuten de
paraacutemetros encontrados en el libro Expansive Soils de Amer Ali Al-Rawas amp
Mattheus FA Goosen de tal manera que los resultados se asocian a diferentes
condiciones como los son dinaacutemicos y estaacuteticos y cambios en el valor de ru con
respecto a alturas de 10 metros y 20 metros
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=0 en
CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 27 se analiza un comportamiento la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten en un 28 para estado
estaacutetico dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
91
expansivos siendo evidente que la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) tanto
para la altura de 10m como para la de 20m presenta un porcentaje de reduccioacuten
136 y 212 en comparacioacuten a los demaacutes tipos de suelos expansivos debido
a que tiene menor consistencia
Por lo tanto el limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor
aacutengulo de inclinacioacuten muestra un factor de reduccioacuten de 59 sin embargo su
factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada
a medida que aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas es menor
al aumentar la inclinacioacuten del talud FS disminuyendo de manera leve
En la graacutefica se evidencia que cerca de los 60deg de inclinacioacuten del talud para una
altura de 20 m MH y CH se comportan de manera similar con un factor de
seguridad de 101 y 096 equivalente al 55 respectivamente lo que indica
inestabilidad seguacuten la norma NSR-10 Tiacutetulo H Tabla H69-1 donde se especifica
que la estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetico debe ser
de 150 Mientras que en un talud de 10 m cerca de los 45deg de inclinacioacuten tanto el
MH como el CH presentan un comportamiento similar con un factor de seguridad
de 2 cumpliendo el factor miacutenimo que rige la Norma NSR-10
Al observar en la graacutefica la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) en un talud
de 20 m a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten presenta inestabilidad auacuten en condicioacuten
estaacutetica y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru
Finalmente en condiciones estaacuteticas y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru el material
oacuteptimo es CH solo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier
inclinacioacuten muestra estabilidad con un factor de reduccioacuten del 28 Cumpliendo
con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
92
Es asiacute como es preciso aclarar que en cualquier caso el FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 28 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y el paraacutemetro ru dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un talud de altura de 20m
cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 correspondiente a
150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo representa con
paraacutemetro ru el cual afecta de manera directa al talud
Uno de los factores de gran importancia es la geometriacutea que representa el talud
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
93
debido a que para un talud de 10 m hasta 20 metros el factor de reduccioacuten oscila
entre el 40 al 60
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo su factor de seguridad
disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada a medida que
aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas (C) es menor al
aumentar la inclinacioacuten del talud el FS disminuye de manera leve Este
comportamiento continua siendo caracteriacutestico de este material pues al ser
comparado con la Figura 27 el material es inadecuado no solo al aumentar la
inclinacioacuten sino tambieacuten a la presencia de agua en el suelo
En la graacutefica se puede evidenciar que cerca de los 50deg de inclinacioacuten para una
altura de 20 m MH y CH se comportan con un valor de 17 de manera diferente
quiere decir que su porcentaje restante su comportamiento es igual Sin llegar a
cumplir con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de 10 m
cerca de los 30deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CH presentan un
comportamiento similar cumpliendo con FS=21
Finalmente en condiciones estaacuteticas y con ru=025 el material oacuteptimo es CH
soacutelo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra
estabilidad modificado con el 28 de probabilidad Cumpliendo con el valor
miacutenimo establecido en la NSR-10
Entonces es preciso aclarar que en cualquier caso FS inversamente proporcional
al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
94
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 29 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y en condicioacuten criacutetica de saturacioacuten con ru=05
dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un
talud de altura de 20m cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-
10 correspondiente a 150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo
afecta de manera directa al talud y al comportamiento mecaacutenico del suelo
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 ESTAgraveTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
95
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material genera
condiciones inadecuadas no solo al aumentar la inclinacioacuten sino tambieacuten a la
presencia de agua en el suelo En donde se evidencia que para un CH con
presencia de ru= 00 hasta ru=05 su factor de reduccioacuten se ve modificado en un
1 mientras que para MH da un valor de 1982 y para un CL de 01
Cabe resaltar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para una altura de 20 m MH y
CH se comportan de manera similar con un FS=100 lo que indica estabilidad
pero no cumple con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de
10 m cerca de los 70deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CL presentan un
comportamiento similar con FS=125 A partir de eacuteste uacuteltimo anaacutelisis es importante
aclarar que el MH ya no se relaciona con el comportamiento del CH sino del CL
Finalmente en condiciones estaacuteticas y condicioacuten criacutetica de ru=05 el material
oacuteptimo sigue siendo CH como en los casos anteriores pero solo en un talud de
10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con factores
de reduccioacuten que no cambian bruscamente si no que oscilan entre el valor de
338 hasta 332 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo lo descrito anteriormente indica que en cualquier caso se analiza que el
FS es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
96
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=000
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 30 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
dinaacutemica con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica de 025 descrito en la
seleccioacuten de valores de sismo (iacutetem 732) del presente proyecto ninguno de los
materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m de
altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo afecta de
manera directa al talud
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
97
El MH es el material que a menor aacutengulo de inclinacioacuten de 51ordm en condiciones
dinaacutemicas muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material presenta
comportamientos mecaacutenicos deacutebiles no solo al aumentar la inclinacioacuten sino
tambieacuten a la presencia de un sismo lo cual se evidencia en el 187 con ru=00
y se evidencia en ru=05 con un porcentaje de 669
De tal manera se evidencia que a los 45deg de inclinacioacuten para el MH en un talud
de altura de 20 m y un CL con un talud de 10 m de altura se comportan de
manera similar comparaacutendolo con una diferencia del 08 de tal manera que a
pesar de sus diferencias dichos factores le generan inestabilidad a el talud Por
lo tanto para un aacutengulo de inclinacioacuten de 30deg y una altura 10 m su inferencia con
respecto al factor de seguridad es del 1 cumpliendo asiacute para los valores
descritos en la matriz de resultados con la NSR-10
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo sigue siendo CH como
en los casos anteriores ya que cumple con el 313 pero solo en taludes de 10
m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre
1242 y 146 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo ello indica que en cualquier caso se analiza que FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura aun en condiciones dinaacutemicas
98
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 31 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales que se analizan en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de
10 m de altura cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo y de agua en el
suelo afecta de manera directa al talud teniendo en cuenta que el factor de
reduccioacuten para un CH es de 505 en condiciones de 75ordm de inclinacioacuten
mientras que para MH es mayor pues es de 628 y para el CL de 504
De esta manera se observa que a los 60deg de inclinacioacuten para el MH y el CL en un
talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un factor de
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
99
reduccioacuten de 256 lo que indica inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta
para todos los materiales en un talud de 20 m de altura y en una altura de 10 m
para los CL
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo continuacutea siendo CH
como en los casos anteriores pero solo en un talud de 10 m de altura puesto que
frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre 1238 y
1454 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10 Sin embargo el
MH tambieacuten se comporta de manera adecuada hasta inclinaciones de 60deg puesto
que bajo estas condiciones presenta FS entre 1131 y 1307
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 32 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
100
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m
de altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 esto se
debe a que la presencia de sismo y de agua en el suelo afecta de manera directa
al talud siendo el factor de reduccioacuten para las arcillas cercano al 1 mientras que
para los limos da superior al 20
Es asiacute como se puede observar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para el MH y
el CL en un talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un
porcentaje igual de 447 lo que con lleva a que el comportamiento mecaacutenico del
suelo no es igual y genera inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta para
todos los materiales en un talud de 20 m de altura y el CL en una altura de 10 m
En condiciones dinaacutemicas el material con las mejores caracteriacutesticas se suelo es
el CH como en todos los casos mencionados anteriormente pero solo en un talud
de 10 m de altura puesto que frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra
estabilidad con FS entre 1233 y 1447 Sin embargo el MH tambieacuten se comporta
de manera adecuada hasta inclinaciones de 45deg puesto que bajo estas
condiciones presenta FS entre 1111 y 1139
Es asiacute como se concluye que FS es inversamente proporcional al aacutengulo de
inclinacioacuten a la altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica al ser comparado
entre los modelos con las diferentes condiciones de sismo
Es evidente la influencia que tiene la presencia de agua en los suelos expansivos
a continuacioacuten se presenta un anaacutelisis del comportamiento de los suelos ante la
variacioacuten del paraacutemetro ru para taludes con una altura de 10m con el fin de
analizar cuaacutel de estos materiales se ve maacutes afectado por dicho paraacutemetro
101
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 33 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad (FS) de manera
insignificante al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y 05 con
factores de reduccioacuten de 392 hasta 328 desde 30ordm de inclinacioacuten hasta 75ordm
respectivamente cumpliendo con el factor de seguridad descrito en la NSR-10
(15 en condicioacuten estaacutetica) A diferencia del limo inorgaacutenico de alta plasticidad
(MH) que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a medida que
aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS entre 2416 y 1937 Por otro lado la
arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH) disminuye FS de 2127 a 2105 a medida
que aumenta el paraacutemetro ru
A partir de lo mencionado es claro que el factor de seguridad es inversamente
proporcional al paraacutemetro ru puesto que a mayor presencia de agua en el suelo
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
000 020 040 060
FS
RU
30ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
102
menor factor de seguridad el cual se hace evidente en el cambio que se presenta
para los diferentes materiales que como ejemplo se cita del CH que para un
aacutengulo de 30ordm 10 metros de altura con ru=0 hasta 05 brinda un factor de
reduccioacuten del 1034
Se evidencia que el CH tiene un comportamiento constante frente al cambio del
factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas cumplen con respecto al valor
brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se establece
a 105 pues los valores del FS oscilan entre 1460 hasta 1447 que comparado
con el material de MH para un aacutengulo de 30ordm la diferencia estaacute en un 1306
mientras que para el CL es de 309
El CL el FS es de 0909 hasta 0906 donde el ru=00 y ru=05 teniendo
posibilidades altas de falla con respecto a los materiales CH y MH siendo
afectado cada uno de los suelos por la condicioacuten dinaacutemica que hace a los
materiales propensos para que ocurra fenoacutemenos por remocioacuten en masa
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 30deg y una altura de 10 m
todos los materiales son oacuteptimos siendo MH el mejor de ellos representado en
porcentajes de 1982 hasta el 3914 Mientras que en dinaacutemico el CL No
cumple en ninguacuten momento con los paraacutemetros establecidos por la norma sismo
resistente mientras que los otros materiales si hasta cierto aacutengulo de inclinacioacuten
como se especifica en el anexo 3 Modelacioacuten adecuada para taludes compuestos
por suelos expansivos
103
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 45deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 34 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad a medida que
aumenta el contenido de agua en el suelo al igual que el CH y MH
De tal manera que para el material CH los valores de ru=00 entre el 1 al 29
esto se debe a que la modificacioacuten que le pueda llegar a generar el agua al suelo
es miacutenima frente al resto de materiales pues en el MH da un valor del 30 Lo
cual indica que existe un paso raacutepido del agua por las partiacuteculas del suelo
generando asiacute que en condicioacuten estaacutetica para una inclinacioacuten de 45deg el CL no
cumpla con respecto al factor de seguridad de la norma NSR-10 mientras que
MH y CL si siendo CH el material maacutes oacuteptimo para estas condiciones de talud
Se infiere que al aumentar el aacutengulo a 45ordm el factor de seguridad disminuye
siendo dicho valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0500
1000
1500
2000
2500
000 020 040 060
FS
RU
45ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
104
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 se observa que para los
suelos CH y MH cumple para el aacutengulo de 45ordm mientras que para el suelo CL no
cumple con dicha condicioacuten cuando presenta un fenoacutemeno de sismo
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 60deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 35 se evidencia que CL describe un comportamiento constante que
disminuye FS en un 27 al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y
05 con FS entre 024 a 044 respectivamente incumpliendo la NSR-10 A
diferencia del MH que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
000 020 040 060
FS
RU
60ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
105
medida que aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS Por otro lado en el suelo
compuesto por CH disminuye en 14 a medida que aumenta la condicioacuten de
agua
Se observa que el CH presenta un comportamiento constante frente al cambio
del factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas que cumplen con respecto al
valor brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se
establece a 105
De tal manera que el comportamiento para el MH se evidencia que el FS es
inversamente proporcional al factor ru debido que al aumentar las condiciones de
ru en el talud el FS disminuye cumpliendo con el valor miacutenimo descrito en NSR
10 hasta un ru de 04
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 45deg y una altura de 10 m
solo el CH y MH cumplen con el factor siendo materiales oacuteptimos para el disentildeo
siendo CH el mejor de ellos en condicioacuten dinaacutemico el CL no cumple con el factor
de seguridad miacutenimo establecido mientras que el CH es un material oacuteptimo para
las diferentes condiciones establecidas el MH en cambio cumple con aacutengulos
menores a 72ordm con un ru=025 mientras que en condiciones totalmente
saturadas cumple para aacutengulos de inclinacioacuten menores a 59ordmcomo se evidencia
en el anexo 3modelacioacuten adecuada para taludes compuestos por suelos
expansivos
106
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 75deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
En la figura 36 se evidencia que para condiciones estaacuteticas el FS se cumple
para el material de CH mientras que para los otros materiales de MH y CL no
cumple con las condiciones debido a que se encuentra por debajo de lo
establecido que es de 15 con la altura de 10 m De esta manera se evidencia en
los tres materiales que el FS es inversamente proporcional al ru con cambios de
08 en el valor del ru=0 hasta un 15 para un CH mientras que para el MH
varia entre el 2488 hasta el 3734 y para un CL la variacioacuten es de 018 a
025 pues entre mayor es dicho coeficiente menor es el factor de seguridad
Siendo afectado igualmente por el aacutengulo de inclinacioacuten y la geometriacutea del talud
Es asiacute como se infiere que al aumentar el aacutengulo a 75ordm el factor de seguridad
disminuye siendo el valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
000 020 040 060
FS
RU
75ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
107
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 cuando se encuentra
amenazado por un factor de sismo se observa que para los suelos CH cumple
para el aacutengulo de 75ordm mientras que para el suelo MH cumple hasta condiciones
de ru= 01 lo que indica que para condiciones de ru= 025 04 y 05 no cumpliriacutea
con dicha condicioacuten es asiacute como se observa el CL no cumple las condiciones
miacutenimas para el factor de seguridad en condiciones dinaacutemicas
Al realizar los diferentes modelos con las condiciones descritas se observa que el
paraacutemetro geomecaacutenico que modifica el comportamiento de los suelos expansivos
presentes en un talud es la cohesioacuten por lo tanto se ejecuta sensibilizacioacuten del
paraacutemetro y se hace una anaacutelisis del comportamiento que presenta frente a
cambios de geometriacutea y paraacutemetro ru de donde se observa que de los valores
descritos en el anexo 4 Para un ru establecido con una altura y aacutengulos
seleccionados se debe tener una cohesioacuten mayor al valor presentado en la tabla
pues se tiene en cuenta que a partir de un factor de seguridad en condiciones
estaacuteticas 15 los valores de cohesioacuten deben estar por encima de dicho valor
mientras que en condiciones dinaacutemicas deben estar por encima del valor de 105
lo que indica que entre mayor sea el valor de cohesioacuten a los valores determinados
mayor seraacute la atraccioacuten y unioacuten de las partiacuteculas del suelo evitando asiacute que se
presente un proceso de remocioacuten en un talud aumentando respectivamente el
factor de seguridad
108
9 CONCLUSIONES
Se definieron los paraacutemetros geomecaacutenicos de los materiales que se analizan en
cada una de las modelaciones (arcillas y limos) a partir de la informacioacuten descrita
en los antecedentes del presente trabajo de grado Gracias al libro de Amer Ali Al-
Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soil En Effect of remolding
techniques on soil swelling and shear strength properties Londres Taylor amp
Francis e-Library 2006 a partir del cual se obtiene detalle sobre los
comportamientos de suelos expansivos en taludes de tal manera que se ejecutan
diferentes modelaciones en las que se tienen en cuenta cambios en la geometriacutea
con el fin de comparar los factores de seguridad a traveacutes de graacuteficas de las cuales
se concluyoacute
El factor de seguridad es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la
altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica de donde se observa
detalladamente la influencia de la altura en el disentildeo del talud en el cual se
identifica que para alturas de 20 m conformado por este tipo de suelos bajo esta
condiciones de modelacioacuten los factores de seguridad tanto en condiciones
dinaacutemicas como estaacuteticas estaacuten por debajo del valor descrito en la Norma Sismo
Resistente Colombiana tiacutetulo H tabla H69-1 en donde se especiacutefica que la
estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetica debe ser de 150
y para condicioacuten dinaacutemica 105 sin embargo para los taludes con alturas de 10 m
se identifica que los suelos compuestos por arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(MH) son materiales con excelentes comportamiento en condicioacuten estaacutetica y
dinaacutemica mientras que el limo inorgaacutenico de alta plasticidad es oacuteptimo en
condiciones criacuteticas con sismo y ru=05 para inclinaciones de 45deg o menores y
con sismo y ru=025 inclinaciones de 60deg o menores
109
La arcilla de alta plasticidad (CH) contiene una cohesioacuten mayor comparada a la
de la arcilla de baja plasticidad (CL) y al limo de alta plasticidad (MH) lo que
indica una mayor resistencia a la presencia de agua lo que genera mayor
estabilidad en el talud asiacute mismo el CH por presentar un valor de liacutemite liacutequido
mayor es susceptible al cambio de estado de plaacutestico a liacutequido contrario a lo que
sucede con el MH ya que su liacutemite plaacutestico es mayor al resto de los suelos debido
a esto es susceptible al cambio de estado de semi-soacutelido a plaacutestico De igual
manera para que la arcilla de alta plasticidad cambieacute de estado es necesario que
el suelo presente un mayor valor de ru=05 que en suelos expansivos este valor
es hasta 067
Para las modelaciones que se realizan en el presente proyecto se utiliza el
software Slidereg el cual resulta de faacutecil manejo con respecto al anaacutelisis del factor
de seguridad en diferentes condiciones de ru en estado dinaacutemico y sismo Asiacute
mismo el meacutetodo utilizado (Bishop simplificado) es un meacutetodo que a pesar de solo
satisfacer el equilibrio de momentos y no cumplir con la totalidad de las
ecuaciones de la estaacutetica presenta exactitud frente a los resultados que se
obtienen en comparacioacuten al meacutetodo ordinario El cual utiliza las dovelas en donde
se tiene en cuenta las fuerzas entre las mismas siendo el maacutes utilizado para
calcular el factor de seguridad de los taludes la uacutenica restriccioacuten que presenta es
que solo considera las superficies de falla circulares
Con respecto al aacutengulo de inclinacioacuten en un talud el mismo tiene una afectacioacuten
directa del factor de seguridad ya que a medida que la reconformacioacuten geomeacutetrica
del talud aumenta se genera una condicioacuten de inestabilidad directa con respecto
a la geometriacutea lo que se evidencia en las graacuteficas para un talud de 30ordm a 75ordm
respectivamente en un 28 en estado estaacutetico y un 16 en estado dinaacutemico para
un MH en estado estaacutetico es un factor de reduccioacuten de 59 mientras que en
dinaacutemico es del 42 y para CL es de 27 para dinaacutemico y estaacutetico
110
10 RECOMENDACIONES
Dentro de las recomendaciones se exponen las diversas limitaciones existentes en
cuanto a paraacutemetros geomecaacutenicos que se usan en las modelaciones y los
meacutetodos para observar el comportamiento mecaacutenico del suelo y el caacutelculo del
factor de seguridad
Para los paraacutemetros geomeacutetricos de los taludes modelados se recomienda el
disentildeo de taludes de 45deg a 60deg dependiendo del espacio del terreno ya que una
mayor inclinacioacuten implica mayores costos y el talud se hace susceptible a sufrir
procesos de remocioacuten en masa Asiacute mismo se recomiendan alturas de 10 m para
este tipo de suelos expansivos ya que mostraron mejores factores de seguridad
Cuando se tiene presencia de limos de alta plasticidad se hace necesario tener
inclinaciones en los taludes menores a 67ordm con alturas de 10m y Ru=0 mientras
que para un Ru=025 se recomienda hacer el disentildeo de un talud con una
inclinacioacuten menor a 51ordm y en estado dinaacutemico con una inclinacioacuten menor a 72ordm y
con un Ru=05 menor a 59ordm con el fin de que cumpla con los criterios descritos en
la Norma Sismo Resistente Colombiana titulo H
Para obtener el disentildeo de un talud en el presente proyecto de grado se
recomienda tener precisioacuten en el suelo sobre el cual se vaya a disentildear debido a
que se presenta los paraacutemetros geomecaacutenicos para resultados de factores de
seguridad que dependen por completo de la definicioacuten de los mismos y al
variarlos no se comportaraacuten de la manera en que se analizoacute en el presente trabajo
de grado Esto se comprueba durante la modelacioacuten realizada debido a que se
generan diferentes modelos con diferentes paraacutemetros geomecaacutenicos no
mencionados en el presente trabajo pero si tenidos en cuenta para la seleccioacuten
de los mismos
111
En la modelacioacuten de taludes del proyecto se utilizoacute el meacutetodo de Bishop
Simplificado para la modelacioacuten en el software Slidereg de tal manera que la
modelacioacuten queda abierta a la utilizacioacuten de los diversos meacutetodos existentes
112
11 BIBLIOGRAFIacuteA
AMER ALI AL-RAWAS amp MATTHEUS FA GOOSEN EXPANSIVE SOILS
Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos y propiedades
de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash
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septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica UNAM Ciencia y desarrollo
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HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y
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MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -
Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos ambientalespg371
NORMA COLOMBIANA SISMO RESISTENTE Titulo A Capitulo A2 Zona
de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de disentildeo
114
NORMA COLOMBIANA SISMO RESISTENTE Titulo H Capitulo
H5Excavaciones y estabilidad de taludes
PARAacuteMETROS DE DIFERENTES TIPOS DE SUELOS [En liacutenea] lt
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propiedades-de-los-suelosgt [Citado en 11 de noviembre del 2015]
RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento
Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de Campoalegre ndash Ciudad de
Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47
regionales [en liacutenea] lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril
del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
SUAREZ DIacuteAZ JAIME Universidad central de Santander Profesor de la
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estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
TESIS MEacuteTODOS DE EXPLORACIOacuteN DE SUELOS [En liacutenea]
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VILLALAZ CARLOS CRESPO Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta
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dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
1
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDAD
Fuente propia
ANGULO
(ordm) H(m) RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05
10 136 80 08 212 309 304 377 374 136 79 07 213 392 244 382 204 392 244 382 205 309 304 377 374
20 525 178 17 202 290 273 281 270 525 143 452 52 535 364 505 306 534 364 505 306 290 273 281 270
10 08 178 17 201 308 304 372 368 08 178 17 202 313 154 361 207 313 154 361 208 308 304 372 368
20 236 90 310 57 316 308 312 303 236 89 310 57 440 239 475 260 447 240 475 260 316 308 312 303
10 86 266 72 240 308 305 355 352 86 266 72 240 243 54 305 147 244 54 305 147 308 306 355 352
20 55 253 176 173 350 343 291 282 55 254 176 174 384 119 397 131 384 119 397 131 349 343 291 282
10 156 361 109 304 309 305 331 327 156 361 19 34 182 88 249 33 182 88 249 33 309 305 331 327
20 23 367 104 298 312 303 313 304 23 368 104 298 328 101 378 10 328 101 378 10 312 304 314 305
ANGULO
(ordm) H(m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICOESTAacuteTICO DINAgraveMICO RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 10 09 1982 2250 020 033 313 313 413 412 380 381
20 29 20 1333 2900 191 061 338 332 369 385 329 329
10 08 09 1908 1940 022 022 295 295 312 316 359 324
20 17 19 2760 2940 043 064 328 340 288 363 360 325
10 07 07 2025 1860 024 023 257 257 245 200 306 306
20 14 17 3026 3093 032 044 323 325 245 252 262 262
10 08 07 2488 2249 018 010 198 200 152 124 223 222
20 15 15 3914 3734 037 025 246 246 187 163 248 24775
45
60
462
475
472
516505
546
578
633
503
502
503
504
ALTURA DE 10 metros A 20 metros
460
473
526
535
527
551
574
628
CH MH CL
528
502
478
521
CH MH CL
DE ESTAacuteTICO A DINAacuteMICO
RU=00 A RU=05
CL
ESTATICO DINAMICO
RU=00 A RU=05 RU=00 A RU=05
CL
MH CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
CAMBIO DE RU
MH
30
MH
CH CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTATICO DINAMICO
30
45
60
75
CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
MH CL
ESTATICO DINAMICO
116
2
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA GEOMETRIacuteA
Fuente propia
H (m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 28 16 59 42 27 27
20 26 16 69 59 9 18
CH MH CL
CON INCLINACIONES DE 30ordm A 75ordm
117
3
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
Fuente propia
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
NO CUMPLE
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X lt669ordm X lt59ordm X lt51ordm X X X X X X X lt72ordm X lt59ordm
NO CUMPLE gt67ordm gt60ordm X gt52ordm X gt73ordm gt60ordm X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
10 CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
10
20
RU=00 RU=025 RU=05RU=00 RU=025 RU=05
20
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
10
20
CL
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
118
4
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOS
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 325 352 39 45 33 36 39 46 36 38 43 50 34 36 395 465 335 36 40 465
MH C(Knm2) 15 235 31 42 23 32 39 44 20 27 36 475 23 30 38 51 223 31 40 52
CL C(Knm2) 39 42 49 58 36 39 42 50 33 35 39 45 36 385 425 495 359 389 43 495
DINAacuteM
ICA
RU RU RU RU RU
ESTAacuteTI
CARU RU RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
RU
0 01 025 04 05
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 34 353 36 392 34 35 36 391 34 352 37 40 34 353 37 40 34 353 37 40
MH C(Knm2) 0 0 0 328 0 0 30 347 0 0 32 375 0 31 348 408 30 33 36 425
CL C(Knm2) 404 42 424 443 404 42 425 442 40 418 42 442 405 42 424 442 408 419 42 442
DINAacuteM
ICA
RU RU
04 05
RU
025
ANGULOS (ordm)ANGULOS (ordm)
0
RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
01
ANGULOS (ordm)
119
2
COMPORTAMIENTO DE PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES
COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
CIELO STEPHANY ARDILA MONTIEL
NATALIA LONDONtildeO MANRIQUE
Anteproyecto presentado como requisito para optar al Tiacutetulo de Ingeniero Civil
Asesor Disciplinar IC MSc Christian Camilo Gutieacuterrez Angulo
Asesor Metodoloacutegico Licenciado Roy Morales Peacuterez
UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTAacute DC
2015
3
Agradecimientos
En este tiempo de estudio varias personas han contribuido con el logro de los
objetivos planteados
Agradecemos naturalmente a la Universidad La Gran Colombia sede en Bogotaacute
en donde adquirimos la formacioacuten acadeacutemica que nos permitioacute el desarrollo de la
presente investigacioacuten desenvolviendo la temaacutetica con los profesionales Ic MSc
Christian Camilo Gutieacuterrez Angulo y Licenciado Roy Morales Perez quienes nos
orientaron se preocuparon y nos brindaron valiosos aportes durante el desarrollo
de la investigacioacuten
A nuestras familias quienes han estado y siempre estaraacuten acompantildeaacutendonos en el
emprendimiento de retos venideros
4
CONTENIDO
LISTA DE TABLAS7
LISTA DE FIGURAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
GLOSARIOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15
2 ANTECEDENTES 17
3 OBJETIVOS 22
31 OBJETIVO GENERAL 22
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS 22
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos 22
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos 22
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos 22
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos 22
4 JUSTIFICACIOacuteN 23
5 MARCO REFERENCIAL 25
51 MARCO CONCEPTUAL 25
Suelos Expansivos 26 511
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 38 512
52 MARCO LEGAL 42
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO 43
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN 43
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN 43
63 DISENtildeO MUESTRAL 43
5
Poblacioacuten universo 43 631
Muestra 44 632
Individuo 45 633
Variables 45 634
64 FASES DEL PROYECTO 46
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas 46
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 47 642
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 48 643
7 DESARROLLO METODOLOGICO 49
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS 49
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH 51
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS 53
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 53 731
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 64 732
Paraacutemetros geomeacutetricos 67 733
74 DESARROLLO DEL MODELO 67
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 69 741
8 ANALISIS DE RESULTADOS 90
9 CONCLUSIONES 108
10 RECOMENDACIONES 110
11 BIBLIOGRAFIacuteA 112
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDADhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip116
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA
GEOMETRIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip117
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
6
EXPANSIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip118
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip119
7
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos 28
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa 30
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten 31
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos 32
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa 33
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos 37
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes 40
Tabla 8 Normatividad 42
Tabla 9 Variables 45
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos 50
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos 51
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no
consolidado no drenado Suelo natural antes de ser tratado 55
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos 58
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(CH) 61
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad
(CL) 62
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
68
Tabla 17Valores de factor de seguridad 77
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander 26
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo 39
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para MH 56
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para CL 57
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av 64
Figura 6Valores de Kst A max 65
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos 66
Figura 8 Modelo en slide para un CH 69
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico 70
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico 71
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico 71
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico 72
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico 72
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico 73
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico 74
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico 75
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico 75
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico 76
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico 76
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en
condicioacuten estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m 78
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 79
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros 80
Figura 23 Rangos de variables 81
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con
9
altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm 82
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con
ru=00 en condicioacuten estaacutetica 83
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y
05 en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm 84
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=0 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 90
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 92
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 94
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=000 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 96
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 98
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 99
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 101
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
45deg y altura de 10 m en CH MH y CL 103
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
60deg y altura de 10 m en CH MH y CL 104
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
75deg y altura de 10 m en CH MH y CL 106
10
GLOSARIO
Asentamientos deformacioacuten de un suelo
Asentamientos inmediatos causado por la deformacioacuten elaacutestica del suelo la
cual ocurre en estados del suelo saturado seco o huacutemedo
Asentamientos por consolidacioacuten es el cambio de volumen en suelos
cohesivos saturados debido a la expulsioacuten del agua que ocupan los poros Los
suelos cohesivos saturados son suelos arcillosos los cuales dependen de la
permeabilidad que contenga el suelo
Asentamientos por compresioacuten secundaria parte de una deformacioacuten que ya
sucedioacute y ocurrioacute con un esfuerzo efectivo constante con ninguacuten cambio de agua
en los poros siendo dependiente del tiempo esto ocurre por el reajuste del suelo
Colapso disminucioacuten raacutepida de volumen del suelo producida por el aumento de
los siguientes factores contenido de humedad grado de saturacioacuten tensioacuten
mediante actuante tensioacuten de corte y presioacuten de poros
Cohesioacuten es la atraccioacuten entre partiacuteculas originada por fuerzas moleculares y
peliacuteculas de agua Por lo tanto la cohesioacuten de un suelo variaraacute si cambia el
contenido de humedad esta propiedad se mide en kgcm2
Criterio de falla se da cuando en una familia de facetas de la tensioacuten alcanza
una inclinacioacuten criacutetica (f) con la normal a la faceta La ruptura seraacute cuando la
tensioacuten tangencial alcanza el valor mayor de esfuerzos cortantes
Expansioacuten la alteracioacuten de las condiciones naturales de una arcilla que
11
produzcan cambios en el contenido de agua esta se integra con la estructura
laminar de la arcilla y si estaacute confinado presentara una elevacioacuten en las presiones
internas del material
Factor de seguridad es empleado para comprender cuaacutel es el factor de que el
talud falle en las peores condiciones de comportamiento Fellenius (1927)
presentoacute el factor de seguridad como la relacioacuten entre la resistencia al corte real
calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte criacuteticos que tratan de
producir la falla a lo largo de una superficie supuesta
Friccioacuten es la resistencia al deslizamiento causado por la friccioacuten existente entre
las superficies de contacto de las partiacuteculas y su densidad de tal manera que es el
aacutengulo cuya tangente es la relacioacuten entre la fuerza que resiste el deslizamiento a
lo largo de un plano y fuerza normal aplicada a este plano
Geomecaacutenico implica el estudio geoloacutegico del comportamiento del suelo y las
rocas
Grietas de contraccioacuten fisuras relativamente anchas respecto a la longitud que
se abren cuando se contrae el suelo o una roca Su formacioacuten constituye un
fenoacutemeno caracteriacutestico de los suelos arcillosos que al descascararse forman una
red poligonal de las grietas de retraccioacuten
Grietas en cuntildea son verticales y son producidas en regiones friacuteas que se
encuentran formadas tras la congelacioacuten raacutepida del suelo
Hinchamiento separacioacuten de las laacuteminas que componen las arcillas por la
absorcioacuten de agua en el espacio inter-laminar
12
Iacutendice de plasticidad diferencia numeacuterica entre el Limite Liquido y el Limite
Plaacutestico Define el campo plaacutestico de un suelo y representa el porcentaje de
humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plaacutestico
Inestabilidad desequilibrio fluctuacioacuten e inconsistencia de un terreno cuando es
afectado por agentes externos
Limite liacutequido es el contenido de agua expresado en porcentaje respecto al
peso del suelo seco que delimita la transicioacuten entre el estado liacutequido y plaacutestico de
un suelo remoldeado o amasado
Liacutemite de contraccioacuten contenido de humedad por debajo del cual se produce
una reduccioacuten adicional de volumen o contraccioacuten en el suelo
Ladera declive lateral de un terreno cuya pendiente se conforma a traveacutes del
aacutengulo que se formoacute con la horizontal
Sensitividad proporcioacuten de la resistencia a compresioacuten simple en estado
inalterado entre la del estado remoldeado
Sensibilidad de paraacutemetros geoteacutecnicos es el anaacutelisis del comportamiento de
las propiedades que influyen en la estabilidad de taludes
Suelo parte superficial de la corteza terrestre bioloacutegicamente activa que proviene
de la desintegracioacuten o alteracioacuten fiacutesica
Suelos colapsables son los suelos que presentan un cambio de relacioacuten entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia uacuteltima
del material A este grupo pertenecen las arcillas cementadas los limos y rocas
13
de gran porosidad
Suelo expansivo es un tipo de suelo capaz de producir un aumento de volumen
en relacioacuten con los cambios de humedad que puedan llegar a presentarse Dichos
materiales tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla
debido a su estructura
Suelos desmoronables suelos en los que sin la presencia o cambio de
condiciones son capaces de producir colapso donde no existe un cambio abrupto
en relacioacuten presioacuten-deformacioacuten La saturacioacuten produce un cambio volumeacutetrico
debido al incremento de presioacuten de poros que origina la resistencia al corte del
suelo
Talud porcioacuten de tierra elevada de dimensiones variables generalmente
rematando por una cuneta y caracterizado por una vegetacioacuten especiacutefica Dicho
elemento es construido con el tiempo pero tambieacuten puede ser producto de la
ejecucioacuten realizada con una construccioacuten artificial con tierra o piedra de tal
manera que es conformada con cualquier superficie inclinada respecto a la
horizontal
Terreno porcioacuten de espacio generalmente plano de tierra en el cual no se tiene
nada construido de tal manera que se trata de un aacuterea en la que no existe un
edificio o algo que cubra la superficie del mismo
14
INTRODUCCIOacuteN
Uno de los problemas caracteriacutesticos de la ingenieriacutea civil es la estabilidad de
taludes ya que los suelos presentan comportamientos dependiendo de la
estructura que lo componen y de los factores tanto extriacutensecos como intriacutensecos
generando movimiento de tierras que pueden terminar siendo generadores de
procesos de remocioacuten en masa como deslizamientos debidos a fallas rotacionales
o traslacionales o caiacutedas de rocas y detritos generando afectaciones socio-
econoacutemicas a la regioacuten Por ello es importante abordar temas como la estabilidad
de taludes en suelos expansivos como lo son la arcilla de alta plasticidad (CH)
arcilla de baja plasticidad (CL) y limo de alta plasticidad (MH) con el fin de
identificar el comportamientos de dichos suelos ante variables geomeacutetricas de
nivel freaacutetico y sismo A partir de las propiedades geomecaacutenicas de los suelos
expansivos en estudio se modelan los taludes de los diferentes perfiles
estratigraacuteficos con la correspondiente asignacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos
por medio del software Slide reg en el que al variar las condiciones de sismo y
contenido de agua se analiza la influencia que tienen en el factor de seguridad del
talud
La escasez de informacioacuten en el tema del comportamiento de suelos expansivos
genera la importancia necesaria para estudiar y analizar el tema a profundidad
creando herramientas dirigidas a ingenieros civiles tanto en campo como en
oficina para disentildeos oacuteptimos de taludes
15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El territorio colombiano presenta variedad de suelos expansivos por su
complejidad en el comportamiento mecaacutenico se hace necesario conocer la
inestabilidad que pueden presentar principalmente este tipo de suelos1 Es asiacute
como en varias zonas de Colombia se evidencian climas friacuteos-secos lo que
ocasiona una condicioacuten de sequedad que hace que algunos tramos en los taludes
presenten caracteriacutesticas de suelos expansivos2 que se caracterizan por tener
liacutemites miacutenimos y maacuteximos de contenido de humedad entre los cuales se
presenta la expansioacuten y contraccioacuten
De esta manera se identifica que los suelos compuestos por arcillas y limos que
son capaces de retener gran cantidad de agua debido a su estructura este
proceso induce a movimientos que generan grietas y asentamientos del terreno
afectando directamente el comportamiento del suelo problema que se acusa con
los cambios estacionales debido a los ciclos de humedecimiento-secado asiacute
como la ascensioacuten de nivel freaacutetico3 de tal manera que esto presenta un riesgo
para los usuarios de las viacuteas que presentan esta tipologiacutea de material Otra de las
amenazas se identifica cuando ocurre un sismo debido a que estos suelos
tienden a transmitir las ondas del sismo con rapidez y amplitud lo que llega a
generar colapso del talud4
1 MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos
ambientalespg371 2 LEOacuteN SICARD Tomas Enrique Estado del Recurso del Suelo [en liacutenea]
lthttpwwwunperiodicounaleducodperarticleagroquimicos-envenenan-suelos-en-colombiahtmlgt [Citado en 9 de noviembre de 2013] 3ASEFA Patologiacuteas por arcillas expansivas Naturaleza y comportamiento [en liacutenea]
lthttpwwwconcretonlinecomindexphpoption=com_contentampid=3179ampItemid=27gt [citado en 5 agosto del 2015]
4CINNA LOMNITZ Las causas probables de la cataacutestrofe siacutesmica del 19 de septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica
UNAM Ciencia y desarrollo septiembreoctubre 1988 Vol XIV Nuacutem 82 CONACYT
16
Es asiacute como en varios lugares se han reportado movimientos en masa como
deslizamientos y fallas rotacionales en los cortes realizados en laderas debido a
la inestabilidad generada por los materiales de los que se encuentran compuestos
los suelos5
Debido a lo anterior se requiere hacer un estudio a los suelos expansivos los
cuales se identifican mineraloacutegicamente con la determinacioacuten de propiedades
baacutesicas tambieacuten a traveacutes de meacutetodos indirectos del potencial expansivo y
medidas directas de la expansioacuten esto con el fin de observar las caracteriacutesticas
geomecaacutenicas en la ejecucioacuten de taludes seguacuten los factores baacutesicos miacutenimos
descritos en la norma sismo resistente (NSR-10) Titulo H241
Es importante conocer iquestCuaacutel es el comportamiento de los paraacutemetros
geomecaacutenicos de taludes compuestos por suelos expansivos ante variables de
nivel freaacutetico geomeacutetria y sismo
5SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47 regionales [en liacutenea]
lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
17
2 ANTECEDENTES
Uno de los temas de mayor intereacutes en la Ingenieriacutea Civil es la estabilidad del
suelo debido a sus inesperados y diferentes comportamientos para los cuales se
hace necesario el estudio y anaacutelisis taludes con el fin de lograr estabilidad y
factores de seguridad oacuteptimos cuando se encuentran compuestos por suelos
expansivos
Se han presentado diferentes casos en donde se vuelve indispensable realizar
una caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes para el anaacutelisis de la vulnerabilidad
que tiene un sitio referente a un talud en donde se cuenta con aspectos que
definen la amenaza asociada valores encontrados para la vulnerabilidad fiacutesica6
metodologiacutea para la cual se determina el riesgo asociado a dicha vulnerabilidad
En torno a este tema en particular la mayoriacutea de las investigaciones trabajan de
forma aislada la amenaza la vulnerabilidad y no evaluacutean en forma precisa el
riesgo por la accioacuten de procesos de remocioacuten en masa que desestabilizan los
taludes con base en el esquema de la caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes es
posible desarrollar una metodologiacutea que evaluacutee el riesgo asociado a inundaciones
sismos vientos o realizar una metodologiacutea integral que involucre todas esas
variables7
En Colombia se presentan casos diversos de falla en viacuteas un ejemplo es la falla
que ocurrioacute en la viacutea Manizales ndash Mariquita Tramo 5006 Debido a la inadecuada
entrega de la alcantarilla presente en ese sitio esto produjo socavacioacuten en el talud
inferior de la viacutea quitaacutendole el soporte al muro ocasionando su volcamiento Ello
6 HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y vulnerabilidad Fiacutesica por taludes y laderas inestables
en la micro Cuenca de la quebrada Cay Ibagueacute Universidad del Tolima Departamento del Tolima Maestriacutea en
planificacioacuten y manejo ambiental de cuencas 2013 pg 119
7 ibiacuted p 119
18
acelero la rotura de un acueducto veredal que satura el relleno causando paso
restringido de vehiacuteculos a un solo carril8 El objetivo de este estudio fue identificar
las diferentes formas de estabilizacioacuten y plantear la solucioacuten definitiva
correspondiente a un sistema de estructura que consta de pilotes metaacutelicos
generando estabilizacioacuten del talud
La Universidad Nacional incluye en un estudio realizado como parte de la
caracterizacioacuten fiacutesica algunas teacutecnicas para el anaacutelisis de la composicioacuten
mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y propiedades
iacutendice en las arcillas de Barranquilla En donde se tomoacute como base el cambio
volumeacutetrico descrito en la mayoriacutea de investigaciones y como aporte al
conocimiento del comportamiento expansivo de las arcillas del distrito de
Barranquilla (Colombia) con desarrollo de un programa experimental orientado a
caracterizar sus propiedades fiacutesicas micro-estructurales y de comportamiento
geoteacutecnico en muestras naturales inalteradas La caracterizacioacuten fiacutesica incluye
composicioacuten mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y
propiedades iacutendice la microestructura de muestras naturales se analiza
cualitativamente usando teacutecnicas microscoacutepicas (oacuteptica y electroacutenica de barrido) y
deducciones indirectas a partir de curvas de retencioacuten de agua (CRA) por uacuteltimo
el comportamiento geomecaacutenico se enfoca en el estudio del cambio volumeacutetrico
en condiciones de humedecimiento - saturacioacuten y procesos de carga ndash descarga9
Alliacute se concluyoacute que el potencial de expansioacuten colapso bajo carga no depende
exclusivamente de la carga vertical aplicada antes de la saturacioacuten sino de las
condiciones de faacutebrica y succioacuten inicial del material esto difiere en lo que se
encuentra en estudios realizados en la zona10
8 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de
Campoalegre ndash Ciudad de Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
9 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
10 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
19
Se han desarrollado variedad de estudios sobre el comportamiento de suelos
expansivos como ejemplo el libro Expansive Soils editado por Amer Ali Al-Rawas
ampMattheus FA Goosen en el cual se describen avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento de suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar inconvenientes causados por la presencia de
los mismos en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada por la
expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten que presentan
debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel freaacutetico Se analizoacute el efecto
de las teacutecnicas de remoldeo en el hinchamiento de suelos y las propiedades de las
fuerzas de cizallamiento que se presentan en los resultados de los efectos de
meacutetodos sobre la presioacuten por oleaje en el suelo resistencia a la compresioacuten
inconfinada Para lo cual se tomaron tres tipos de suelos CH CL y ML con
muestras inalteradas que fueron seleccionadas en la zona norte de Jordania con
una amplia gama de contenido de arcilla
Las propiedades fiacutesicas de estos suelos incluyendo la gradacioacuten el liacutemite plaacutestico
y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco maacuteximo y el
contenido oacuteptimo de agua se obtienen a traveacutes de las especificaciones con las
que cuentan las normas ASTM Las muestras de suelos perturbados y no
perturbados se obtuvieron de los lugares descritos en el paacuterrafo anterior y fueron
probadas en el laboratorio de mecaacutenica de suelos en Jordan Universidad de
Ciencia y Tecnologiacutea Los especiacutemenes remoldeados estaban preparados para la
compresioacuten inconfinada y los ensayos de hinchazoacuten utilizando tres teacutecnicas de
remoldeo dinaacutemicas estaacuteticas y amasado Esto con el fin de lograr un estudio en
el potencial de hinchamiento de ese tipo de suelos ante los diferentes ensayos La
evaluacioacuten de la presioacuten debida a la hinchazoacuten la inflamacioacuten potencial y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada se vio afectada por el meacutetodo de
remodelacioacuten
20
Por lo tanto de este ensayo se concluyoacute que las muestras inalteradas obtienen
valores altos de presioacuten de hinchamiento la remodelacioacuten dinaacutemica tuvo los
valores maacutes altos de la hinchazoacuten y la compresioacuten inconfinada seguido por la
fuerza estaacutetica y el remoldeo por amasado respectivamente de esta manera se
observa que el contenido inicial de agua afecta tanto a la presioacuten de la hinchazoacuten
como a la resistencia a la compresioacuten inconfinada
De esta manera se encuentra el desarrollo de otro estudio ejecutado en el libro de
Expansive Soils en donde se describe una serie completa de pruebas referidas a
la compresioacuten no confinada (UC) no consolidado no drenado (UU) triaxiales y
columna resonante (RC) se realizaron sobre muestras estabilizadas
quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del sureste de Arlington Texas
despueacutes de haber sido sometido a ciclos (WD) repetidos de humectacioacuten-secado
inducido artificialmente en el laboratorio los cuales arrojaron unos resultados que
se utilizaron para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo plazo la
rigidez el efecto de hincharse y su continua contraccioacuten brindoacute respuesta del
suelo tratado incluyendo resistencia a la compresioacuten no confinada sin olvidar
resistencia al corte moacutedulo de corte dinaacutemico y material de amortiguacioacuten Se
utilizoacute meacutetodos de estabilizacioacuten que incluyen sulfato resistente cemento Tipo V
baja en calcio clase F mosca ceniza cal viva mezclaacutendolas con fibras de
polipropileno Muestras de suelo que se trataron y fueron curadas durante 7 diacuteas y
despueacutes se sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la UC UU y RC
la prueba Un ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua
potable en la sala de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a
140 F Encargoacute caacutemaras wd que permiten el monitoreo de 1-D al hincharse y
encogerse siendo esta la respuesta durante wd repetido Una dosis -por peso del
10 de cemento Tipo V el cual brinda mejor rendimiento general bajo realizado
con el ensayo de la resistencia al corte sin drenaje En donde se halloacute que Las
cenizas presentan malos resultados en comparacioacuten a todos los estabilizadores
21
con una simultaacutenea disminucioacuten de la c y bajo continuo w - d Aunque los valores
de fibras de cal suelo tratado tienden a aumentar con wd repetido Sin embargo
todos los suelos tratados superaron suelo natural despueacutes de 32 ciclos wd con el
tipo del 10 V suelo con cemento tratado mostrando un mejor rendimiento c-
De tal manera que la presencia de agua en este tipo de suelos los hace menos
resistencia a el ensayo de compresioacuten a fuerzas cortantes o de cizallamiento
debido a que alteran su estructura interna generando comportamientos
inadecuados para el cuerpo ingenieril debido a que se veraacuten afectadas las
construcciones realizadas sobre los mismos de esta manera seraacute necesario hacer
un tratamiento de estabilizacioacuten para proveer caracteriacutesticas mecaacutenicas
apropiadas de los suelos expansivos 11
11
Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos
y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
22
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos
por suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos
23
4 JUSTIFICACIOacuteN
Los suelos expansivos presentan algunas propiedades que pueden llegar a
generar variaciones en el comportamiento del suelo como los cambios
volumeacutetricos en presencia o ausencia de agua produciendo expansioacuten y
contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad portante y resistencia al corte
cuando se incrementa el contenido de agua
Al realizar cortes en laderas se presenta un cambio en la condicioacuten de resistencia
inicial del material lo que genera inestabilidad y un inminente riesgo el
comportamiento del suelo se analiza a traveacutes de la sensibilizacioacuten de paraacutemetros
que conduce a la mejora del factor de seguridad con respecto al disentildeo debido a
esto se llevoacute a cabo una comparacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes
los cuales brindaron soluciones oacuteptimas para el disentildeo de los mismos en suelos
expansivos
Es importante realizar el estudio de suelos expansivos y su comportamiento en
taludes ya que este tipo de suelos generan desplazamientos de materiales
Debido a que los suelos se hidratan y se hinchan estas condiciones se presentan
naturalmente tanto en eacutepocas de lluvia y en eacutepocas de sequia
Los riesgos que presenta en un proceso de estos son
Asentamientos en muros y cimientos
Deformacioacuten en los pavimentos y aceras
Movimientos de laderas
Roturas de cantildeerias y drenajes
Aparicioacuten de cavidades por disolucioacuten de sales
24
La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento de paraacutemetros
geomecaacutenicos en taludes ante variables de afectacioacuten para lo cual se realizan
aacutebacos que permitan identificar la manera en la que se ven afectados dichos
taludes y asiacute predecir su comportamiento por medio de programas de modelacioacuten
para el disentildeo de taludes con el fin de encontrar el factor de seguridad de disentildeo
y obtener las condiciones necesarias para la construccioacuten del mismo pensando en
el beneficio de la poblacioacuten
25
5 MARCO REFERENCIAL
El trabajo estaacute basado en la presentacioacuten de anaacutelisis sobre el comportamiento de
suelos expansivos en taludes con el fin de observar la inestabilidad del terreno el
cual se manifiesta mediante desplazamientos implicando ruina total o parcial de
sitios aledantildeos en donde se presenta este tipo de procesos de remocioacuten en masa
Este anaacutelisis conduce a un estudio referente a propiedades de los suelos que son
importantes las cuales generan cambios volumeacutetricos en presencia o ausencia de
agua produciendo expansioacuten y contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad
portante y resistencia al corte cuando se incrementa el contenido de agua
Es necesario tener presente conceptos como la composicioacuten y comportamiento
mecaacutenico de suelos expansivos que componen taludes asiacute mismo la afectacioacuten
que pueden generar estos suelos cuando son intervenidos por sismo y lluvia
Para el desarrollo de lo anterior se llevaraacute a cabo la presentacioacuten de los conceptos
tales como arcillas expansivas deslizamientos procesos de remocioacuten en masa
sensibilidad de paraacutemetros y anaacutelisis determiniacutestico
51 MARCO CONCEPTUAL
En el marco conceptual se establecen conceptos relacionados con la
investigacioacuten sobre la presencia de suelos expansivos como arcillas de baja alta
plasticidad y limos de alta plasticidad en taludes debido a que estaacute clase de
suelos tienen caracteriacutesticas de respuestas y comportamientos de expansioacuten y
contraccioacuten asociadas al humedecimiento y secado Por lo tanto la descripcioacuten
de estos comportamientos requiere el uso de un marco conceptual que incorpore
aspectos de anaacutelisis determiniacutesticos y meacutetodos de anaacutelisis con respecto al
comportamiento geomecaacutenico
26
Suelos Expansivos 511
Material susceptible que genera cambios de volumen los cuales se encuentran
directamente relacionados con cambios de humedad o variacioacuten con respecto al
contenido de agua La estructura del material retiene grandes cantidades de agua
lo que puede producir un aumento de volumen notorio12
El contenido de humedades un factor importante cuando se habla de la expansioacuten
de un suelo esto se presenta solo en los suelos expansivos como se observa en
la figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander cuando existen
variaciones climaacuteticas que influyen directamente en el comportamiento
generando grietas en el suelo13
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander
Fuente httpgooglaVWI0V
12
INGSPATRONE J amp PREFUMO JE La accioacuten de los suelos expansivos sobre las cimentaciones meacutetodos de
prevencioacuten y control Paacuteg 1-16[en
linea]lthttpwwwumeduuy_upload_descargaweb_descarga_204_AccindesuelosexpansivosAntildeo 2004gt[citado en 5 de
agosto del 2015]
13 Ibidp12
27
5111 Identificacioacuten de suelos expansivos
Los suelos expansivos se identifican de manera visual por varias caracteriacutesticas
tienen alta plasticidad si se observan en el terreno se encontraraacuten grietas
ocasionadas por la expansioacuten y contraccioacuten constante que sufre dicha superficie
esto se presenta cuando hay variacioacuten de humedad14
La identificacioacuten mineraloacutegica es una de las principales formas por las cuales se
ubican los suelos expansivos debido a que los meacutetodos maacutes recomendados son
difraccioacuten de rayos x anaacutelisis teacutermico diferencial anaacutelisis quiacutemico absorcioacuten de
tinte y la microscoacutepica electroacutenica Las cuales consisten en detectar la presencia
de minerales arcillosos que resultan expansivos15
5112 Ensayos de identificacioacuten de suelos expansivos
Es necesario ejecutar una valoracioacuten frente al comportamiento que puede llegar a
presentar un suelo con presencia de arcillas y limos cuando es sometido a
diferentes situaciones donde se ve alterada su composicioacuten de tal manera que
los diferentes ensayos permiten hacer un acercamiento de lo que sucede en la
realidad y especialmente en casos donde el suelo presenta humedad La tipologiacutea
y descripcioacuten de este tipo de ensayos se presenta en la tabla 1 Ensayos y
laboratorios en suelos descrita a continuacioacuten
14
INGSPATRONE Jamp PREFUMO JE Opcit1-16
15Ibid p1-16
28
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos
ENSAYOS Y LABORATORIOS
DESCRIPCIOgraveN
Hinchamiento Libre
Se humecta el suelo permitiendo una expansioacuten vertical
de una probeta por lo que el confinamiento lateral impide
la deformacioacuten lateral se realiza sobre muestras
inalteradas saturadas
Determinacioacuten de la presioacuten maacutexima del
hinchamiento
Impide la expansioacuten vertical al aplicar tensioacuten vertical
necesaria que compensa dicho hinchamiento se realiza
sobre muestras inalteradas Y saturadas
Ensayo de Lambe
Consiste en la preparacioacuten de una probeta de suelo que
se compacta en condiciones estandarizadas de humedad
inicial de tal manera que se impide una expansioacuten lateral
confinaacutendola en un anillo Una vez producida la
inundacioacuten de la ceacutelula se determina la tensioacuten maacutexima
de tensioacuten mediante un anillo dinamomeacutetrico con el
bastidor quienes se encargan de ejercer la reaccioacuten ante
la fuerza de expansioacuten que manifiesta la muestra al
hinchar El valor de esta tensioacuten maacutexima de hinchamiento
permite una clasificacioacuten cualitativa del material en
funcioacuten de ciertos grados de expansividad
Ensayo de volumen de sedimentacioacuten
Este criterio fue dado por Holtz y Gibbs el cual se utilizaba
para averiguar el potencial de hinchamiento de un suelo
consiste en depositar 10 cm3 de suelo seco que pase por
el tamiz Nordm40 en un cilindro graduado con 100 cm3 de
agua y se observa el aumento del volumen de la muestra
una vez sedimentada debido al hinchamiento dio
resultado se expresa en porcentaje de aumento de
volumen respecto al volumen inicial del suelo
Liacutemite Liacutequido
Es el contenido de humedad para el cual el suelo pasa
de un estado liacutequido a plaacutestico el ensayo que permite
determinar el liacutemite liquido consiste en colocar diferentes
muestras de suelo con humedad variable en un
recipiente o taza metaacutelica accionada por medio de una
manivela que se encarga de levantarla y dejarla caer
29
Fuente compilacioacuten propia tomado de Ensayos sobre suelos expansivos[en
liacutenea]lthttpwwwestudiosgeotecnicosinfoindexphpensayos-laboratorio-suelos-expansivosgt [citado en 5 de agosto del
2015]
Liacutemite liacutequido
repetidas veces Antes de inicia el ensayo se realiza una
ranura de diferentes dimensiones con una espaacutetula
contando el nuacutemero de golpes con el fin de que la ranura
quede frac12 pulgada cerrada Dichos datos se grafican y
cuando la curva obtenida corta la liacutenea correspondiente a
los 25 golpes se considera este valor como el limite
liquido del suelo
Liacutemite Plaacutestico
Es el contenido de humedad para el cual se cambia del
estado plaacutestico al semisoacutelido de tal manera que en el
estado plaacutestico el suelo es semi moldeable mientras que
en el semisoacutelido se agrieta amoldaacutendose El limite plaacutestico
queda definido cuando el suelo contiene justo la humedad
necesaria para que al amasar manualmente bastoncitos
de 03 cm estos no se agrieten y se rompan
Liacutemite de Retraccioacuten
Este liacutemite queda determinado por la miacutenima cantidad de
agua necesaria para llenar los poros de una muestra de
suelo seco a este liacutemite corresponde el menor volumen de
la masa del suelo determinado por la frontera entre el
estado soacutelido y semisoacutelido En las arcillas este liacutemite
alcanza el 5 y el 10 lo que indica que la capacidad
portante se incrementa a medida que disminuye el
porcentaje de humedad
Ensayo de Triaxial
A traveacutes de esta prueba se identifican las propiedades
de tensioacuten- deformacioacuten del suelo en este ensayo una
muestra de suelo ciliacutendrica normalmente con una
relacioacuten de altura-diaacutemetro se somete a dos
incrementos de tensioacuten axial y radial dicha muestra se
encuentra protegida con una membrana y las tensiones
radiales son impuestas por una presioacuten de confinamiento
en todas sus caras Los esfuerzos axiales son impuestos
por un vaacutestago que penetra la caacutemara de confinamiento
hasta que se produce la rotura
30
De esta manera se hace necesario identificar los tipos de deslizamientos que se
presentan en taludes los cuales generan un proceso de remocioacuten en masa
afectando de manera directa la poblacioacuten a niveles sociales econoacutemicos entre
otros identificados en la tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Fuente Compilacioacuten propia del libro de Suarez Jaime Diacuteaz Deslizamientos y estabilidad de taludes
31
ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL
BLANDO
ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES
TIPO IMAGEN
MATERIAL HOMOGENEO
MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
Seguacuten la composicioacuten y estructura del talud se produce un tipo deslizamiento esto
puede observarse en la tabla 3Efectos de la estructura en la formacioacuten de
deslizamientos de rotacioacuten donde se describe el efecto del deslizamiento
causado seguacuten la estructura del talud
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten
32
Por lo tanto Los paraacutemetros geomecaacutenicos son elementos necesarios que ayudan
a la comprensioacuten del anaacutelisis con respecto al comportamiento del suelo en el
presente trabajo se hace el estudio de los paraacutemetros descritos en la tabla 4
Paraacutemetros geomecaacutenicos
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Conociendo los paraacutemetros geomecaacutenicos que componen cada uno de los suelos
se identifica el concepto de remocioacuten en masa el cual es el desplazamiento de
grandes voluacutemenes de material superficial descrito de manera detallada en la
tabla 5Procesos de remocioacuten en masa
PARAacuteMETRO CONCEPTO ECUACIONES DESCRIPCIOacuteN
DENSIDAD
Relacioacuten entre la unidad de peso y la unidad de
voluacutemen de la fase soacutelida del suelo siendo maacutes o
menos constante ya que estaacute determinado por la
composicioacuten quiacutemica y mineraloacutegica de la fase
soacutelida
ρ=mV
ρ= densidad
m= masa
V= volumen
PESO ESPEacuteCIFICO
Se definen peso especiacutefico relativo a la relacioacuten entre
el peso especiacutefico de una sustancia y el peso
especiacutefico del agua destilada a 4 grados centigrados
sujeta a una atmoacutesfera de presioacuten
Pc=pV
Pc= Peso especigravefico
P=Peso
V= volumen
CARACTERISTICAS
ESTRUCTURALES
Se refiere a la orientacioacuten de las discontinuidades
tamantildeo y forma de rocas espaciado grado de
fracturacioacuten del macizo rocoso aacutengulo de inclinacioacuten
No aplica
EFECTO DEL AGUA
La estabilidad del talud y resistencia al cizallamiento
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos
33
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa
Fuente Ajustado de httpjulsgeoambientaljimdocomportafolioremocioacuten en masa
Es asiacute como el subsuelo o sustrato es la capa de suelo debajo de la capa
superficial de la tierra El cual incluye sustancias como arcilla yo arena que soacutelo
han sido parcialmente desglosadas por aire luz solar agua viento etc para
producir suelo verdadero Debajo del subsuelo estaacute el sustrato que puede
ser rocoso de sedimentos o depoacutesitos eoacutelicos en gran medida afectados por
factores formadores de suelo activo en el subsuelo El subsuelo contiene
LITOLOacuteGICOS ESTRUCTURALES TOPOGRAacuteFICOS ANTROacutePICOS TECTOacuteNICOS CLIMAacuteTICOS
El material superficial
se encuentra suelto y
puede ser removido
con facilidad en una
ladera por efecto de la
presioacuten de una
cantidad de agua
necesariamente si
bajo este material
superficial existe roca
consolidada e
impermeable
En el relieve se
presentan grietas o
diaclasas juntas que
por efecto de la
meteorizacioacuten fiacutesica
quiacutemica o bioloacutegica
provocan el
desmenuzamiento o
descomposicioacuten de
las rocas
Existen laderas de
montantildeas de colinas
con pendiente
abruptas o de terrenos
muy inclinados
En aacutereas con
pendientes
fuertemente taladas
(deforestadas) por el
hombre el material
superficial queda
expuesto a la
intemperie
Las ondas siacutesmicas
provocan el
desplazamientode
materiales
superficiales o de
unidades maacutes
importantes del relieve
como puede ser un
aacuterea accidentada o
no
Caen fuertes
precipitaciones o
caen de manera
continua provocan
deslizamientos sea
por aumento de
sobrecarga o por
cambios extremos en
las temperaturas las
cuales quiebran los
mantos rocosos
Es el desplazamiento de grandes voluacutemenes de material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por accioacuten directa de la fuerza de
gravedad hasta volver a encontrar un nuevo punto de reposo Los movimientos de masa se presentan sobre todo en la eacutepoca lluviosa o
durante una actividad siacutesmica
PROCESOS DE REMOCIOacuteN EN MASA
Se produce porque la fuerza actuante (sobrecarga) que es originada normalmente por el agua ejerce una presioacuten hacia abajo que rompe el
equilibrio existente hasta ese momento la gravedad proporciona la energiacutea adicional requerida para que se produzca el movimiento
descendente En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve se origina fundamentalmente por los movimientos siacutesmicos
FACTORES
CONCEPTO
ORIGEN
MOVIMIENTOS COMUNES
Formacioacuten de una superficiede ruptura recta o
curvada a partir de la cual se desplaza toda la
porcioacuten de terreno separada del conjunto con
la misma velocidad en todas sus partes
conservando su estructura y forma original
DESLIZAMIENTOS REPTACIOacuteN
Movimiento lento del suelo yo de detritos
rocosos cuesta abajo por lo general no
perceptible que afecta la parte superficial de
la ladera la capa de suelo y en algunos casos
la parte superior de la roca alterada Causas
lluvias o de fusioacuten de nieves que saturan los
suelos en ambientes huacutemedos y sobre
laderas con pendientes moderadas
DERRUMBAMIENTO
Incluye movimientos y caida directa de
material rocoso de variable dimensiones
Son causados por La fuerza gravitacional de
la tierra Grado e inestabilidad de fracturas de
la roca Efecto de meteorizacioacuten Efectos de
congelamiento del agua en las fracturas
34
partiacuteculas parcialmente degradadas por lo general de un tono maacutes claro de color
marroacuten o amarillo y contiene las raiacuteces profundas de las plantas grandes como los
aacuterboles
Existen diferentes meacutetodos de exploracioacuten para tomar muestras alteradas e
inalteradas
Una muestra alterada es aquella que estaacute constituida por material
disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales
para conservar las caracteriacutesticas de estructura y humedad in situ no
obstante en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua
original del suelo para lo cual las muestras se envasan en recipientes
impermeables y se transportan de forma que esteacuten protegidas de los
agentes atmosfeacutericos Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de
suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice y preparar especiacutemenes
compactados para someterlos a pruebas mecaacutenicas (SAHOP 1974)
Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura no
sufre de alteraciones quiacutemicas ni de humedad es decir conserva las
propiedades que teniacutea in situ Estas muestras se utilizan en el laboratorio
para identificar el tipo de suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice
y mecaacutenicas16
Las muestras inalteradas se obtendraacuten de suelos finos que pueden labrarse sin
que se disgreguen La obtencioacuten puede efectuarse en el piso o en las paredes de
una excavacioacuten como en un pozo a cielo abierto en la superficie del terreno
natural o en la de una terraceriacutea La excavacioacuten para obtener una muestra deberaacute
16Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015]
35
ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extraccioacuten de
la misma Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo
en su estado natural por lo que su obtencioacuten empaque y transporte requieren
cuidados especiales a fin de no alterarlas Las muestras deben ser identificadas
claramente Las superficies que esteacuten expuestas deben ser protegidas con
material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que
amortiguumlen las vibraciones que pudiera sufrir 17
5113 Problemas de los suelos expansivos en taludes y laderas ante
solicitaciones
Los terrenos con pendiente pronunciadas son aquellos que tienen susceptibilidad
ante fenoacutemenos como lo son los deslizamientos amplificacioacuten siacutesmica entre
otros18
Un sismo en materiales expansivos brindaraacute una respuesta dinaacutemica generada
por los suelos esto dependeraacute de las condiciones del esfuerzo de confinamiento y
del nivel de deformacioacuten que presenten los materiales de esta manera el suelo
no disipara energiacutea por poco amortiguamiento y la degradacioacuten a traveacutes de los
ciclos seraacute pequentildea lo cual indica una respuesta elaacutestica lineal Es asiacute como a
grandes deformaciones el suelo disipa mayor energiacutea por alto amortiguamiento y
la presioacuten de poro iguala el esfuerzo efectivo de confinamiento producieacutendose un
deterioro del suelo y por consiguiente la peacuterdida de resistencia por lo tanto la
respuesta es no lineal donde la rigidez decrece con el nuacutemero de ciclos19
17
Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015] 18
Criterio para calificar los suelos con fines urbanos [en liacutenea]lt httpesslidesharenetcarlosjcamachopresentacin-
de-la-materia-3742687gt [citado en 3 de octubre del 2009] 19
Comportamiento Dinaacutemico de las Arcillas [en liacutenea]
lthttpwwwptolomeounammx8080jspuibitstream132248521006014A4pdfgt[citado en 2 de enero del 2009]
36
Otro de las solicitaciones que modifican el estado de un talud se refiere a la
cantidad de agua que se infiltre por el suelo debido a que los periodos climaacuteticos
del antildeo se modifican y dependiendo de la cantidad de precipitacioacuten aumentaraacute o
disminuiraacute el nivel freaacutetico es asiacute como los suelos expansivos sufriraacuten aumento o
disminucioacuten de volumen seguacuten la cantidad de agua sea mayor o menor lo que
causara el hinchamiento en eacutepocas de lluvia y retracciones en eacutepoca seca
generando grietas y posterior rotura del suelo
Por consiguiente la gravedad podraacute causar deslizamientos con este tipo de suelos
De esta manera se presentaran perdida de asentamientos en muros y cimientos
deformacioacuten en pavimentos en las aceras movimientos de laderas y aparicioacuten de
cavidades por disolucioacuten de sales
En el caso de las cargas soportadas por suelos expansivos como lo son
pequentildeas zapatas soportando cargas livianas son faacutecilmente levantadas
mientras que cuando las zapatas son de gran tamantildeo y soportan cargas pesadas
no ocurre este proceso20
5114 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Dentro de los meacutetodos de exploracioacuten de suelos existen dos clasificaciones
meacutetodos directos y meacutetodos indirectos En la tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de
suelos se muestra una clasificacioacuten general de los meacutetodos de exploracioacuten maacutes
usuales y una breve descripcioacuten21
20
Villalaz Carlos Crespo Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta edicioacuten MexicoLimusa2004ISBN 968-18-6489-1
21 Tesis Meacutetodos de exploracioacuten de suelos [En liacutenea] lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en
23 de Junio de 2015]
37
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Meacutetodo Descripcioacuten
Meacutetodos
directos
Pozos a cielo
abierto
Es el meacutetodo maacutes satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo
Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse
en eacutel examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer
muestras alteradas e inalteradas Su aplicacioacuten eficiente resulta sobre suelos
cohesivos
Pala
posteadora
Es un meacutetodo manual de exploracioacuten somera que consiste en hincar un barreno y
obtener muestras del tipo alterado pero representativas en cuanto al contenido de
agua Se utiliza en lugares donde otros equipos mecaacutenicos no pueden ser usados
Tubo Shelby Consiste en un tubo afilado de 75 a 10 cm de diaacutemetro que se hincan a presioacuten
para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o
semiduros
Sondeo de
penetracioacuten
estaacutendar
Con esta teacutecnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la
resistencia al corte con el nuacutemero de golpes con el que se hinca el penetroacutemetro
una distancia de 30 cm El equipo consta de un penetroacutemetro el cual se hinca a
golpes mediante un martinete de 635 kg que cae desde 76 cm de alto
Muestreador
Denison
Consiste en dos tubos conceacutentricos que se hinca en el suelo para obtener
muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyeccioacuten de fluido de
perforacioacuten que se hace circular entre ambos tubos
Meacutetodos
indirectos
Meacutetodo
siacutesmico
Consiste en provocar una explosioacuten en un punto determinado del aacuterea a explorar
usando una pequentildea carga de explosivo usualmente nitro amonio Por la zona a
explorar se situacutean geoacutefonos cada 15 oacute 30 cm Este procedimiento se funda en la
velocidad de propagacioacuten de las ondas vibratorias de tipo siacutesmico a traveacutes de
diferentes medios materiales
Meacutetodo de
resistividad
eleacutectrica
Consiste en inducir una corriente eleacutectrica a traveacutes de los suelos de tal forma que
se presente una mayor o menor resistividad eleacutectrica para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo Mayores resistividades corresponden a rocas
duras siguiendo con rocas suaves y asiacute sucesivamente hasta valores menores
correspondientes a suelos suaves saturados
Meacutetodos
magneacuteticos y
gravimeacutetricos
Para el primero se utiliza un magnetoacutemetro que mide la componente vertical del
campo magneacutetico terrestre en la zona considerada en varias estaciones
proacuteximas entre siacute En los meacutetodos gravimeacutetricos se mide a aceleracioacuten del
campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar La informacioacuten
que proveen estos meacutetodos es algo erraacutetica y difiacutecil de interpretar
Fuente Ajustado de httptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdf
38
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 512
Se describen los diferentes meacutetodos de anaacutelisis en taludes con la finalidad de
observar la diferencia entre los mismos e identificar cuaacutel de ellos cumple con la
desarrollo del trabajo en el anaacutelisis del valor de factor de seguridad resumidos en
la graacutefica 2 Meacutetodos de caacutelculo
5121 Meacutetodos de equilibrio liacutemite
Se basan en leyes de la estaacutetica determinando el estado de equilibrio de un
terreno inestable No tienen en cuenta las deformaciones del terreno Suponen
que la resistencia al corte se moviliza total y concordantemente a lo largo de la
superficie de corte Se pueden clasificar en dos grupos
bull Meacutetodos exactos
bull Meacutetodos no exactos
5122 Meacutetodos exactos
El uso de las leyes de la estaacutetica da una solucioacuten exacta al problema Esto soacutelo es
posible en taludes de geometriacutea sencilla como por ejemplo la rotura planar y la
rotura por cuntildeas
5123 Meacutetodos no exactos
En la mayoriacutea de los casos la geometriacutea de la superficie de rotura no permite
obtener una solucioacuten exacta del problema solamente mediante la aplicacioacuten de las
leyes de la estaacutetica El problema es hiperestaacutetico y ha de hacerse alguna hipoacutetesis
previa que permita su resolucioacuten Se pueden tomar los meacutetodos que consideran el
equilibrio global de masa deslizante hoy en desuso y los meacutetodos de las dovelas
o rebanadas que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas
verticales
39
Los meacutetodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en
Meacutetodos aproximados que no cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica
Se pueden nombrar los meacutetodos de Fellenius Janbu y Bishop simplificado
Meacutetodos completos que cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica Los
conocidos son los meacutetodos de Morgenstern-Price Spencer y Bishop
riguroso
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo
Fuente Propia
A traveacutes de los meacutetodos de caacutelculo se desarrollan los meacutetodos de anaacutelisis para
estabilidad de taludes estos son de gran importancia para el desarrollo a nivel
numeacuterico con el fin de identificar que sucede en un talud al cambiar y modificar
ciertos paraacutemetros geomecaacutenicos mostrados dichos meacutetodos en la tabla 7
Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
40
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
Meacutetodo de
tablas o
nuacutemero de
estabilidad
Para los taludes simples homogeacuteneos se han desarrollado tablas que
permiten un caacutelculo raacutepido del factor de seguridad Existe una gran cantidad
de tablas desarrolladas por diferentes autores La primera de eacutestas fue
desarrollada por Taylor en 1966 Desde entonces han sido presentadas
varias tablas sucesivamente por Bishop y Morgenstern (1960) Hunter y
Schuster (1968) Janbuacute (1968) Morgenstern (1963) Spencer (1967)
Terzaghi y Peck (1967) y otros
Meacutetodo del
talud infinito
El meacutetodo del talud infinito es un sistema muy raacutepido y sencillo para
determinar el factor de seguridad de un talud suponiendo un talud largo
con una capa delgada de suelo en el cual cualquier tamantildeo de columna de
suelo es representativo de todo el talud Las suposiciones del meacutetodo del
talud infinito son las siguientes suelo isotroacutepico y homogeacuteneo talud
infinitamente largo y superficie de falla paralela al talud El principal uso del
meacutetodo del talud infinito es la elaboracioacuten de planos de amenaza a los
deslizamientos mediante el uso de SIGS
Meacutetodo del
bloque
deslizante
El anaacutelisis de bloque puede utilizarse cuando existe a una determinada
profundidad una superficie de debilidad relativamente recta y delgada La
masa que se mueve puede dividirse en dos o maacutes bloques y el equilibrio de
cada bloque se considera independientemente utilizando las fuerzas entre
bloques No considera la deformacioacuten de los bloques y es uacutetil cuando existe
un manto deacutebil o cuando aparece un manto muy duro sobre el cual se
puede presentar el deslizamiento
Meacutetodo
Ordinario o
de Fellenius
Conocido tambieacuten como meacutetodo Sueco meacutetodo de las Dovelas o meacutetodo
USBR Este meacutetodo asume superficies de falla circulares divide el aacuterea
de falla en tajadas verticales obtiene las fuerzas actuantes y resultantes
para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de
Seguridad
41
Meacutetodo de
Bishop
Bishop (1955) presentoacute un meacutetodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta
el efecto de las fuerzas entre las Dovelas El meacutetodo simplificado de Bishop
es uno de los meacutetodos maacutes utilizados actualmente para el caacutelculo de
factores de seguridad de los taludes Aunque el meacutetodo soacutelo satisface el
equilibrio de momentos se considera que los resultados son muy precisos
en comparacioacuten con el meacutetodo ordinario
Meacutetodo de
Janbuacute
El meacutetodo simplificado de Janbuacute se basa en la suposicioacuten de que las
fuerzas entre dovelas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de
cortante Janbuacute considera que las superficies de falla no necesariamente
son circulares y establece un factor de correccioacuten fo El factor fo depende
de la curvatura de la superficie de falla Estos factores de correccioacuten son
solamente aproximados y se basan en anaacutelisis de 30 a 40 casos
Meacutetodo de
Spencer
El meacutetodo de Spencer es un meacutetodo que satisface totalmente el equilibrio
tanto de momentos como de esfuerzos El procedimiento de Spencer
(1967) se basa en la suposicioacuten de que las fuerzas entre dovelas son
paralelas las unas con las otras o sea que tienen el mismo aacutengulo de
inclinacioacuten
Meacutetodo de
Morgenstern
y Price
El meacutetodo de Morgenstern y Price (1965) asume que existe una funcioacuten que
relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas Esta
funcioacuten puede considerarse constante como en el caso del meacutetodo de
Spencer o puede considerarse otro tipo de funcioacuten La posibilidad de
suponer una determinada funcioacuten para determinar los valores de las fuerzas
entre dovelas lo hace un meacutetodo maacutes riguroso que el de Spencer22
Adaptado de Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil
Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
22
Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-
Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
42
52 MARCO LEGAL
Para garantizar la viabilidad normativa del presente trabajo este se encuentra
acorde a los requisitos legales y normativos de la actualidad descritos en la tabla
8 Normatividad
Tabla 8 Normatividad
NORMA OBJETIVO
CE020 Estabilizacioacuten de
Suelos y de Taludes
Establecer las consideraciones teacutecnicas miacutenimas para el mejoramiento requerido de la resistencia de suelos y de la estabilidad de taludes
NSR 2010 Titulo H
Establecer criterios baacutesicos para realizar estudios geoteacutecnicos de edificaciones basados en la investigacioacuten del subsuelo y las caracteriacutesticas arquitectoacutenicas y estructurales de las edificaciones con el fin de proveer las recomendaciones geoteacutecnicas de disentildeo y construccioacuten de excavaciones y rellenos estructuras de contencioacuten cimentaciones rehabilitacioacuten o reforzamiento de edificaciones existentes y la definicioacuten de espectros de disentildeo sismo resistente para soportar los efectos por sismos y por otras amenazas geoteacutecnicas desfavorables
NSR 2010 Titulo A2
Establecer los valores de coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva para el disentildeo la cual se encuentra impliacutecita en la tabla A22 del cual se toma el valor 030 en una escala de 005 hasta 050 desde amenaza siacutesmica baja hasta amenaza siacutesmica alta lo que indica que para efecto de anaacutelisis y disentildeo de taludes se debe emplear la aceleracioacuten maacutexima del terreno en donde el coeficiente siacutesmico de disentildeo para anaacutelisis seudo estaacutetico de taludes KST tiene el valor inferior tomando asiacute el valor de 080 de suelos enrocados y macizos fracturados lo que implica ejecutar una operacioacuten matemaacutetica simple con el fin de obtener el valor de Aa adecuado para el disentildeo dinaacutemico del talud el cual es 025
Fuente Propia
43
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO
En este capiacutetulo se evidencia el enfoque que se expuso en el presente trabajo
dejando claras las caracteriacutesticas principales para el desarrollo de modelos que
presentan el factor de seguridad oacuteptimo en suelos expansivos
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN
El enfoque que se empleo es de caraacutecter cuantitativo y cualitativo ya que se tomoacute
como base de trabajo los estudios realizados en diferentes zonas compuestas por
suelos expansivos
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN
Cuenta con una investigacioacuten tipo analiacutetica ya que se desarrolloacute una matriz de
comparacioacuten entre paraacutemetros mecaacutenicos y geoteacutecnicos comunes en los suelos
expansivos en donde se buscoacute valores miacutenimos de factores de seguridad en
relacioacuten a paraacutemetros de resistencia condiciones geomeacutetricas y factores
naturales
63 DISENtildeO MUESTRAL
Para el trabajo se tiene en cuenta un talud con caracteriacutesticas geoteacutecnicas y
geomeacutetricas establecidas en donde ejecutoacute una comparacioacuten del comportamiento
del talud con respecto a valores de factor de seguridad para lo cual se realiza un
anaacutelisis de la poblacioacuten universo muestra individuo y variables descritas a
continuacioacuten
Poblacioacuten universo 631
La poblacioacuten universo de la investigacioacuten se basa en el anaacutelisis de taludes ya que
es el elemento maacutes grande del cual se tomoacute la muestra con el fin de ejecutar un
44
anaacutelisis de paraacutemetros geomecaacutenicos sobre el comportamiento de la presencia
de suelos expansivos frente a las variables correspondientes
Muestra 632
Consiste en 264 modelos ejecutados en SLIDEreg de donde se tienen en cuenta
valores de Ru= 00 025 y 05 con alturas de 10 m y 20 m aacutengulos de inclinacioacuten
de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm asiacute mismo se realizan 120 modelos adicionales en donde la
altura es de 10 m variando el valor de Ru=00 01 025 05 y aacutengulos de
inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm en donde se tiene en cuenta los paraacutemetros
geomecaacutenicos y geomeacutetricos para diferentes tipos de suelos expansivos
correspondientes
CH Arcilla de alta plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con alta
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
mayor de 50 tacto suave23
CL Arcilla de baja plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con baja
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
menor de 50 tacto suave24
MH Limo de alta plasticidad suelo de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse ante su esfuerzo mecaacutenico limite liquido menor de 50
tacto aacutespero25
23
El sistema unificado de clasificacioacuten de los suelos [en liacutenea]lt
ftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt [citado en 3 de noviembre del
2015]
24 Ibiacuted Cuadro 21
25 Ibiacuted Cuadro 21
45
Individuo 633
Taludes con presencia de suelos expansivos como arcilla de baja alta plasticidad
y limos de alta plasticidad en general
Variables 634
Caracteriacutesticas del suelo del talud humedad del suelo que conforma el talud
inclinacioacuten de talud aacutengulo de friccioacuten del suelo cohesioacuten nivel freaacutetico factor
de seguridad Tabla 9 Variables
Tabla 9 Variables
Fuente Propia
Se establece que para la medicioacuten de variables en el problema de investigacioacuten
del proyecto que se desarrolloacute el cual estaacute basado en el ANAacuteLISIS DE
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
EXPANSIVOS Los meacutetodos que se desarrollan en la estabilizacioacuten de taludes
son
VARIABLES
CUALITATIVAS Tipo de suelo CH CL y MH
CUANTITATIVAS
Humedad del suelo que conforma el talud ndash Nivel Freaacutetico
Inclinacioacuten de talud
Altura de talud
Angulo de friccioacuten
Cohesioacuten
Factor de seguridad
Sismo
46
Meacutetodo de Bishop simplicado a pesar de solo satisface el equilibrio de
momentos y no cumple con la totalidad de las ecuaciones de la estaacutetica
presenta exactitud frente a los resultados que se obtienen en comparacioacuten
con el meacutetodo ordinario de igual manera utiliza las dovelas teniendo en
cuenta las fuerzas entre las mismas y es uno de los maacutes utilizados para
calcular el factor de seguridad de los taludes la principal restriccioacuten del
meacutetodo es que solo considera las superficies circulares (Jaime
Suarez2002)
De igual manera se ejecuta el respectivo anaacutelisis por medio de Software Slidereg
en el cual se tienen en cuenta para los modelos los paraacutemetros descritos
anteriormente
Slidereg ya que es un programa con anaacutelisis de la filtracioacuten incorporando
elementos finitos y funciones que define directamente el usuario de esta
manera el estudio de sensibilidad permite determinar el efecto de las
variables en el factor de seguridad de un talud
64 FASES DEL PROYECTO
A traveacutes de las fases es posible identificar el orden cronoloacutegico en el que se
desarrolla el presente documento para cumplir el objetivo general que es analizar
el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos por
suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo que se
describen a continuacioacuten
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas
47
Actividad 1 Consultar en diferentes fuentes de informacioacuten definiciones de
los paraacutemetros geomecaacutenicos de suelos expansivos que seraacuten estudiados
Actividad 2 Investigacioacuten del subsuelo y conocimiento determinado de
suelos expansivos referenciando los meacutetodos de exploracioacuten
Actividad 3Identificacioacuten problemas que ocasionan estos materiales con
presencia taludes ante solicitaciones de gravedad infiltracioacuten sismo
escorrentiacutea y otros
Actividad 4 Recopilacioacuten de informacioacuten secundaria referente al
comportamiento de estos materiales
Actividad 5 Documentacioacuten de antecedentes referentes a deslizamientos y
amenazas que presente un talud compuesto por suelos expansivos
identificando coacutemo se estudian los deslizamientos y los problemas
geoteacutecnicos que se presentan en estos materiales
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 642
Actividad 1 Definicioacuten de los paraacutemetros a estudiar para la modelacioacuten en
taludes
Actividad 2 Elaboracioacuten de matriz para la definicioacuten del modelo
geoteacutecnico el desarrollo y respuesta del mismo
48
Actividad 3Realizar la instruccioacuten en programas de modelacioacuten para
estabilidad de taludes
Actividad 4 Modelacioacuten geoteacutecnica mediantes equilibrio liacutemite para las
diferentes condiciones de escenarios descritos en la matriz
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 643
Actividad 1Generacioacuten de graacuteficas de resultados de las modelaciones
para la revisioacuten del factor de seguridad
Actividad 2Anaacutelisis del comportamiento de los paraacutemetros geoteacutecnicos
definidos teniendo como base la modelacioacuten realizada en diferentes
escenarios
Actividad 3 Generacioacuten de graacuteficas finales de respuesta del
comportamiento de los paraacutemetros geomecaacutenicos
Actividad 4 Anaacutelisis de resultados respecto a la generacioacuten de graacuteficas
Actividad 6 Generacioacuten y redaccioacuten del documento final
Actividad 7 Generacioacuten de Articulo
49
7 DESARROLLO METODOLOacuteGICO
Por medio de la descripcioacuten detallada de conceptos se obtiene la identificacioacuten de
suelos expansivos a estudiar que como se menciona en el documento son
materiales compuestos por arcillas de alta y baja plasticidad y limos de alta
plasticidad en donde se identifica las caracteriacutesticas mecaacutenicas geoteacutecnicas
fiacutesicas que son claves al momento del anaacutelisis de cada uno de los modelos a
ejecutar en el software Slidereg con el fin de conocer el comportamiento de los
suelos en mencioacuten cuando se tienen variables de sismo nivel freaacutetico y
geometriacutea correspondiente a diferentes aacutengulos de inclinacioacuten 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
y una altura de 10 m 20 m y variaciones con respecto al paraacutemetro Ru de 00
01 025 04 05 en condiciones estaacutetica y dinaacutemica
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS
Se realiza una descripcioacuten detallada acerca de los suelos expansivos que
conforman un talud de los cuales se analiza el factor de seguridad como lo son
arcillas de baja y alta plasticidad y limos de alta plasticidad donde se identifican
las caracteriacutesticas que componen cada uno de estos suelos y la diferencia de los
mismos para su respectiva identificacioacuten descritos en la tabla 10 Descripcioacuten de
suelos expansivos
50
CH CL ML
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGAacuteNICO DE BAJA PLASTICIDAD
Arcillas inorgaacutenicas de alta plasticidad arcillas
grasas
Arcillas inorgaacutenicas de plasticidad baja a mediana
arcillas gravosas arcillas arenosas arcillas limosas
arcillas magras
Limos inorgaacutenicos y arenas muy finas harina de
roca arenas finas limosas o arcillosas o limos
arcillosos de ligera plasticidad
Suelo de grano fino
Diaacutemetro de las partiacuteculas comprendido entre
005 mm y 0005 mm
Color variacutea desde gris claro a muy oscuro
No suelen tener propiedades colidales
A partir de 0002 mm y a medida que
aumenta el tamantildeo de las partiacuteculas se
va haciendo cada vez mayor la
proporcioacuten de minerales no arcillosos
Partiacuteculas forma redondeada
Tacto aacutespero
Mayor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de masa
Se secan con relativa rapidez y no se
pegan a los dedos
Los terrones secos tienen una cohesioacuten
apreciable pero se pueden reducir a
Pueden ser colapsables
Fuerte olor a tierra Ligero olor a tierra Olor no caracteriacutestico a menudo ninguno
Consistencia alta Menor consistencia que las CH Consistencia baja
Estructura blanda Estructura menos blanda que las CH Estructura blanda
Alta capacidad de deformarse sin agrietarse ante
un esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten
al retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse ante un
esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten al
retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse
ante un esfuerzo mecaacutenico conservando la
deformacioacuten al retirarse la carga
Plaacutesticos Plaacutesticos Ligeramente plaacutesticos
Liacutemite liquido mayor de 50 arcillas de alta
contraccioacuten-dilatacioacuten Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos
Los terrones secos se pueden partir
pero no reducir a polvo con los dedos
No son colapsables
Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosos
Partiacuteculas forma laminar
Tacto suave
Menor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de
superficie
GRAacuteFICO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS DE GRANO FINO
SUELOS EXPANSIVOS
Son suelos que al ser humedecidos sufren una expansioacuten que pone en peligro a las estructuras cimentadas sobre ellos
Su comportamieno se caracteriza principalmente por
- La contraccioacuten debido al secado
- La expansioacuten al humedeserce
- Desarrollo de presiones de expansioacuten cuando estaacute confinado y no puede expandirse
Suelen tener propiedades colidales
Suelo de grano fino suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio
hidratados procedentes de la descomposicioacuten de rocas que contienen feldespato como el granito
Diaacutemetro menor de 0005 mm
Presenta diversas coloraciones seguacuten las impurezas que contiene desde el rojo anaranjado hasta el
blanco cuando es pura
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos
Fuente Adaptado de
[En liacutenea] ltftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt[citado en 15 de
octubre del 2015]
[En liacutenea] lt httpesslidesharenetfrkfirtinsuelos-expansivosgt[citado en 15 de octubre del 2015]
[En liacutenea] lthttpwwwfceiaunreduargeologiaygeotecniaDiferenciasgt[citado en 15 de octubre del 2015
51
UNIDAD SUELO-1 SUELO-2 SUELO-3
71 63 43
32 37 24
39 26 19
31 26 23
KNm3 132 139 146
KNm3 141 146 151
24 22 20
CH MH CL
CONTENIDO INICIAL DEL AGUA
CLASIFICACIOacuteN DEL SUELO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
LIMITE DE CONSISTENCIA
COMPACTACIOacuteN
OPTIMO CONTENIDO DE AGUA
DENSIDAD LIBRE MAacuteXIMA
PROPIEDADES FISICAS INALTERADAS DE LA MUESTRA DE SUELO
DENSIDAD LIBRE INICIAL
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLAacuteSTICO
INDICE PLAacuteSTICO
PROPIEDADES
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH
Es necesario conocer las propiedades fiacutesicas de los suelos descrita en la tabla
11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos ya que de estas depende el
comportamiento mecaacutenico que lo mismos presentan ante factores intriacutensecos y
extriacutensecos como los son lluvia y sismo siendo estos importantes al momento de
observar el proceso de remocioacuten en masa de un talud cuando se afecta por estos
factores
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A traveacutes del estudio realizado en el libro expansive Soils se obtienen este tipo de
propiedades fiacutesicas de los materiales que en el presente proyecto se desarrollan
descritos en la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos en el
estudio ejecutado se describe sobre los avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento en suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
52
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar los inconvenientes que la presencia de estos
puedan generar en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada
por la expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten o
dilatacioacuten que presentan debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel
freaacutetico
Por lo tanto el limite liacutequido que presentan los tipos de suelos analizados es para
un CH de 71 MH de 63 y CL de 43 lo que indica que este es el porcentaje
en el que cada uno de estos suelos pasa de un estado liacutequido a uno plaacutestico Es
asiacute como se observa que existe maacutes probabilidad de que ocurra este fenoacutemeno
con la arcilla de alta plasticidad
Con respecto al liacutemite plaacutestico se observan valores obtenidos para un CH 32
MH 37 y 24 que es cuando el suelo pasa de un estado semisoacutelido a uno
plaacutestico siendo mayor para el limo de alta plasticidad
De tal manera que se observa el Iacutendice de plasticidad bajo como por ejemplo del
19 para una arcilla de baja plasticidad la cual significa que un pequentildeo
incremento en el con tenido de humedad del suelo lo transforma de semisoacutelido a
la condicioacuten de liacutequido es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad
Por el contrario un iacutendice de plasticidad alto como por ejemplo del 39
perteneciente a la arcilla de alta plasticidad indica que para que el suelo pase del
estado semisoacutelido al liacutequido se le debe agregar gran cantidad de agua26
Tambieacuten se obtiene el contenido oacuteptimo de agua el cual permite la obtencioacuten de la
26
Liacutemites de Atterberg Iacutendice de Plasticidad Fluidez Retraccioacuten [en liacutenea]lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
53
densidad maacutexima mediante la compactacioacuten que seguacuten tabla 11 Es 31 para un
CH 26 para el MH y 23 para el CL Siendo este valor inversamente
proporcional a la densidad libre maacutexima debido a que entre mayor es el oacuteptimo
contenido de agua menor es la densidad maacutexima
De esta manera se obtienen las propiedades fiacutesicas de los suelos estudiados
haciendo la respectiva clasificacioacuten de los materiales correspondientes a suelos
expansivos
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS
Con el fin de lograr la identificacioacuten de cada uno de los materiales se seleccionan
los paraacutemetros geomecaacutenicos siendo los mismos importantes pues de estos
depende el comportamiento y el valor de factor de seguridad del talud cuando se
relacionan con paraacutemetros geomeacutetricos y de Ru ante factores estaacuteticos y
dinaacutemicos que se describen en los siguientes numerales a partir del 731
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 731
La seleccioacuten de paraacutemetros a raiacutez de la investigacioacuten realizada se consolidoacute
teniendo en cuenta los siguientes datos bibliograacuteficos
En el libro Expansive Soil se observa la descripcioacuten de un estudio donde se
evaluacutea la presioacuten de hinchamiento del suelo el potencial de hinchamiento y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada de muestras alteradas e inalteradas de
suelos expansivos De donde se describen tres tipos de suelos seleccionados de
la parte norte de Jordania con una amplia gama de contenido de arcilla
caracterizando las propiedades fiacutesicas de estos suelos como la gradacioacuten el
liacutemite plaacutestico y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco
54
maacuteximo y el contenido oacuteptimo de agua de donde se tienen en cuenta las normas
ASTM para consolidar los resultados en la Tabla 11 del presente documento
Razoacuten por la cual se toman valores de peso especiacutefico para MH CH y CL ya que
el estudio que se explicoacute anteriormente estuvo basado en muestras de suelos
inalteradas en zonas altamente arcillosas con caracteriacutesticas similares a las que
se analizan
Otro de los estudios realizados en el libro de Expansive Soils trata de una serie
completa de pruebas de la compresioacuten inconfinada (UC) no consolidado no
drenado (UU) triaxiales y columna resonante (RC) en donde se realizan sobre
muestras estabilizadas quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del
sureste de Arlington Texas despueacutes de haber sido sometido a ciclos repetitivos
de humectacioacuten-secado (WD) inducido artificialmente en el laboratorio Se
utilizan los resultados para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo
plazo la rigidez y unidimensional (1-D) hinchazoacuten y contraccioacuten como respuesta
del suelo tratado incluyendo la resistencia a la compresioacuten inconfinada
paraacutemetros de resistencia al corte sin drenaje moacutedulo de corte dinaacutemico y
material de amortiguacioacuten
Los Meacutetodos de estabilizacioacuten incluyen sulfato resistente cemento Tipo V bajo en
calcio clase F de ceniza volaacutetil cal viva y se mezcla con fibras de polipropileno
Dichas muestras de suelo tratadas se curaron durante 7 diacuteas y despueacutes se
sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la prueba UC UU y RCl Un
ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua potable en la sala
de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a 140 degF En cambio
las caacutemaras wd permiten el monitoreo de 1-D expansioacuten-contraccioacuten que brinda
respuesta durante wd repetido Una dosis por peso 10 de cemento Tipo V
parece dar mejor rendimiento general bajo wd ciacuteclico
55
Es de esta manera como se busca resumir los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados descritos en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
natural antes de ser tratado En la misma tabla indicada pero en la fuente
bibliograacutefica se presentan los demaacutes resultados como resumen de los paraacutemetros
de resistencia al cortante (c-ɸ) obtenidos de ensayos triaxiales UU que en este
caso se omitieron debido a que nuestro estudio estaacute basado en suelos expansivos
sin tratar
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no
drenado Suelo natural antes de ser tratado
Nuacutemero de
ciclos w-d C (psi) C (KPa)
de
cambio
ɸ
(deg)
de
cambio
Suelo
Natural
0 68 469 00 06 00
1 65 449 - 44 06 00
2 67 462 - 15 06 00
4 63 435 - 74 06 00
8 69 476 + 15 06 00
16 69 473 + 07 06 00
32 69 476 + 15 06 00
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 129 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681
Los valores que se encuentran resaltados en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
56
natural antes de ser tratado fueron utilizados en el trabajo para los paraacutemetros del
material arcilla de alta plasticidad (CH)
A continuacioacuten se presentan las figuras correspondientes a los efectos del
contenido inicial de agua en la presioacuten por hinchamiento para obtener los valores
de cohesioacuten en cada uno de los tipos de suelos estudiados para ello se tiene en
cuenta las propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos resumidos en la tabla
11 donde se especifica el contenido inicial () del agua asiacute CH 24 MH 22 y CL
20 valores con los que se ingresa en el eje vertical para las figuras
correspondientes al suelo compuesto por limo de alta plasticidad y arcilla de baja
plasticidad analizado en condiciones estaacuteticas (la condicioacuten dinaacutemica se tendraacute
en cuenta en el proceso de modelacioacuten)
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH
Tomado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 134 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
57
A partir de la figura 3 se obtiene un valor de
y a su
vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla
inorgaacutenica de alta plasticidad
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para CL
Tomado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 135 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A partir de la figura 4 se obtiene un valor de
y a su vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla inorgaacutenica de alta
plasticidad
En la investigacioacuten se encuentran diferentes paraacutemetros para distintos tipos de
suelos de los cuales se analiza y compara con la fuente del libro de Expansive
58
Soils seleccionando los apropiados para ejecutar la modelacioacuten en el software
Slidereg en la Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos en el cual se
evidencian valores comparados con la fuente confiable del libro
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Consistencia
Angulo de friccioacuten
interna
ɸ en grados
Peso
especiacutefico
Kgcm2
Arena gruesa
o arena con
grava
Compacta 40 2250
Suelta 35 1450
Arena media Compacta 40 2080
Suelta 30 1450
Arena limosa
fina o limo
arenoso
Compacta 30 2080
Suelta 25 1365
Limo uniforme Compacta 30 2160
Suelta 25 1365
Arcilla-limo Suave a
mediana 20 1440-1920
Arcilla limosa Suave a
mediana 15 1440-1920
Arcilla Suave a
mediana 01 1440-1920
Fuente Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos [En liacutenea] lt httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-
diferentes-propiedades-de-los-suelosgt [citado en 11 de noviembre del 2015]
59
7311 Paraacutemetros para limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Este tipo de materiales cuentan con suelos de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse antes los esfuerzos mecaacutenicos contando con un liacutemite
liquido menor de 50 Los paraacutemetros para este material se establecen en la tabla
13 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
LIMO INORGAacuteNICO DE ALTA PLASTICIDAD
(MH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 15 146
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se toman de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten correspondiente al efecto del contenido de agua inicial en la
presioacuten de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para MH En
donde se observa la seleccioacuten del paraacutemetro en la graacutefica 3 El efecto del
contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH Ingresando en el eje horizontal con el contenido inicial
del agua descrito en la tabla No 11 Propiedades Fiacutesicas de los suelos
expansivos en la cual se describe un contenido de agua inicial de 22
que para condicioacuten estaacutetica es de 140 Kpa como presioacuten de hinchamiento
60
que permite obtener el valor de la cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten los datos obtenidos de la web ingeniero civil
denominada Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten de la tabla 13
Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos que se encuentra en un blog
peruano creado en agosto de 2010 por John J Rojas se identifica como
un portal que dedica a compartir y difundir temas relacionados con la
ingenieriacutea civil desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico Se describe en el paacuterrafo introductorio del numeral 73 de
seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos y es tomado de la tabla 11
Propiedades fiacutesicas de los suelos
7312 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
La arcilla de alta plasticidad pertenece a suelos inorgaacutenicos de grano muy fino
con baja capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico su
liacutemite liacutequido es mayor a 50 presentando asiacute los paraacutemetros geomecaacutenicos a
continuacioacuten para el respectivo material descrito en la tabla 15 Paraacutemetros
geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
61
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA
PLASTICIDAD
(CH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
469 06 141
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se tomaron de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten se encuentran resumidos los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados el anaacutelisis es efectivo por que el suelo se
presenta en estado natural En la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al
corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural
antes de ser tratado
Aacutengulo de friccioacuten tomado para el suelo natural sin ninguacuten tipo de
estabilizacioacuten ni alteracioacuten en el contenido del mismo basada en las
condiciones iniciales de suelos expansivos despueacutes de haber sido sometida
dicha muestra a ciclos repetitivos de humectacioacuten-secado (WD) inducido
artificialmente en el laboratorio para identificar el comportamiento del mismo
en cuanto a la resistencia al cortante donde el aacutengulo de friccioacuten interna
determina su comportamiento junto con la cohesioacuten resumidas dichas
62
Condiciones en la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para
ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural antes de ser
tratado
Peso especiacutefico este valor se encuentra descrito en el paacuterrafo introductorio
de seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos Tabla 11 Paraacutemetros fiacutesicos de
los suelos expansivos
7313 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
La arcilla de baja plasticidad hace parte de los suelos inorgaacutenicos de grano muy
fino con baja capacidad de deformacioacuten sin sufrir de grietas ente un esfuerzo
mecaacutenico el liacutemite liquido es menor a 50 de esta manera en la tabla 16
Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) se
describen los paraacutemetros a considerar para la modelacioacuten ejecutada
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA
PLASTICIDAD
(CL)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 01 151
Fuente propia
63
Los paraacutemetros relacionados se toman de distintas fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten corresponde al efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten
de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para CL Ingresando en
el eje horizontal con el contenido inicial del agua descrito en la tabla 11
Propiedades Fiacutesicas de los suelos expansivos se describe un contenido de
agua inicial de 20 que para condicioacuten estaacutetica muestra un valor de 140
Kpa como presioacuten de hinchamiento que permite obtener el valor de la
cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten Se obtiene de la web del ingeniero civil denominada
Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten un blog peruano creado en
agosto de 2010 por John J Rojas descrito en la tabla 13 Paraacutemetros de
diferentes tipos de suelos en donde se tiene en cuenta el portal que se
dedica a compartir y difundir temas relacionados con la ingenieriacutea civil
desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico descrito en el paacuterrafo introductorio de seleccioacuten de
paraacutemetros geomecaacutenicos de la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos
expansivos
64
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 732
Para la seleccioacuten del valor cuando hay presencia de sismo en la modelacioacuten del
talud se tiene en cuenta la norma NSR-10 TITULO A de donde se selecciona el
valor del coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva el cual
se determina en su maacuteximo valor de amenaza siacutesmica igual a 030 descrito en la
Tabla A23-1 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y de Av descrito en la
figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y Av
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo A Capitulo A2 Zona de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de
disentildeo
El valor que se selecciona en el paacuterrafo anterior para una amenaza siacutesmica alta
se multiplica por el coeficiente Kst que se utiliza para el anaacutelisis y disentildeo de
taludes en donde se debe incluir la aceleracioacuten maacutexima del terreno teniendo en
cuenta el tipo de material terreo que se manejaraacute en el presente proyecto Tomado
de la tabla H52-1 de la norma sismo resistente Observado en la figura 6
Valores de Kst A max
65
Figura 6Valores de Kst A max
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5Excavaciones y estabilidad de taludes
Seleccionando el valor que pertenece a suelos enrocados y macizos muy
rocosos con un Kst de 080 ya que no se ejecutoacute ninguacuten anaacutelisis de amplificacioacuten
en los suelos expansivos de estudio
El valor se aproxima de 024 a 025 como coeficiente de aceleracioacuten de amenaza
siacutesmica en el disentildeo de los taludes en el software Slide reg
De tal manera que para el anaacutelisis de factor de seguridad de los taludes se tiene
en cuenta el capiacutetulo H en donde se especifican los valores maacuteximos para que el
talud se encuentre en amenaza por un fenoacutemeno de remocioacuten en masa El cual se
puede observar el la figura 7Factores de seguridad indirectos miacutenimos
66
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5 Excavaciones y estabilidad de taludes
7321 Paraacutemetro de presioacuten de poros Ru
Teniendo en cuenta que el Ru es una relacioacuten de poros y esfuerzo vertical se
seleccionan valores de 00 01 025 04 y 05 en donde a medida que aumenta
dicho valor indica el nivel de agua contenido en el suelo del talud para el valor
00 el suelo se encuentra de estado natural-huacutemedo en 025 es un nivel de agua
medio en el talud y 05 talud saturado
67
Paraacutemetros geomeacutetricos 733
En la etapa de recoleccioacuten de datos se investigaron tesis relacionadas con el tema
de donde se tuvo en cuenta el documento desarrollado sobre Influencia Del
Abatimiento Del Nivel Freaacutetico En El Caacutelculo del Factor De Seguridad Para La
Estabilidad De Taludes realizado por el Ingeniero Leonardo Leuro Antildeo
2015Universidad La Gran Colombia
Para lo cual se seleccionan diferentes alturas en la geometriacutea del talud y aacutengulos
de inclinacioacuten estudiados en el proyecto descrito anteriormente los cuales fueron
Aacutengulos 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Alturas de talud de 10 m y 20 m
74 DESARROLLO DEL MODELO
A traveacutes de los paraacutemetros geomecanicos y geomeacutetricos anteriormente descritos
se disentildean taludes con diferentes condiciones con el fin de lograr un anaacutelisis
completo de lo que se presenta en campo descrito en la tabla 17 Matriz de
disentildeo
68
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
Fuente propia
De la cual se generan los modelos teniendo en cuenta los diferentes aacutengulos y
alturas en estado dinaacutemico y estaacutetico para diferentes valores de Ru de donde se
obtienen valores de factor de seguridad para el material de Arcilla de alta
plasticidad limo de alta plasticidad y arcilla de baja plasticidad en el cual se
evidencian los paraacutemetros geomecaacutenicos descritos a partir del numeral 73
Paraacutemetros geomecaacutenicos del presente documento
000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447 2416 2184 1937 1471 1307 1139 1468 1466 1465 0909 0907 0906
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670 1575 1365 1146 0993 0851 0705 0733 0731 0729 0492 0490 0489
10 1991 1983 1975 1404 1398 1392 2007 1817 1624 1380 1246 1111 1377 1376 1374 0882 0881 0880
20 1008 1000 0991 0677 0670 0664 1246 1073 0902 0887 0756 0626 0689 0687 0686 0466 0464 0463
10 1810 1804 1798 1345 1340 1336 1654 1479 1319 1248 1131 1015 1251 1250 1248 0868 0867 0866
20 0958 0951 0945 0649 0644 0638 1011 0858 0705 0763 0646 0527 0623 0622 0621 0460 0459 0458
10 1548 1542 1536 1242 1238 1233 1306 1141 0981 1107 0988 0858 1069 1068 1067 0831 0830 0830
20 0779 0773 0767 0587 0582 0578 0797 0640 0485 0648 0534 0406 0536 0535 0534 0403 0402 0402
30
45
60
75
RuALTURAANGULO
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
Ru Ru
0
Ru
025
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
C (KNM2) φ γ(KNM2)
35 15 146
Ru Ru
C (KNM2) φ γ(KNM2)
CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
35 01 151
69
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 741
Se realiza el disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en
condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 0 en
donde se indica una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Que se
observa en la figura 8Modelo en Slidereg para un CH de donde se obtiene el valor
de factor de seguridad que se muestra en la figura 9 Factor de seguridad CH
estaacutetico
Figura 8 Modelo en slide para un CH
Fuente Propia
70
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico
Fuente Propia
De esta manera se realiza este procedimiento para los materiales de MH Limo de
alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
Se lleva acabo el disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de aacutengulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico brindando asiacute un
factor de seguridad que se muestra en la figura 11 Factor de seguridad para MH
estaacutetico
71
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad para dicho modelo descrito en la
figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Fuente propia
72
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12Modelo de Slidereg para un CL estaacutetico
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad del talud que se observa en la figura
13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Fuente propia
73
En el proceso de modelacioacuten se incluye la condicioacuten de sismicidad en donde en el
Software SLIDEreg se agrega en LOADING seismic load y se coloca el valor de
025 como coeficiente de amenaza siacutesmica Aa
De esta manera se tiene en cuenta la condicioacuten dinaacutemica la cual se realiza en el
disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 para una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Observado en la figura
14Modelo en Slide para un CH dinaacutemico
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico
Fuente Propia
74
Del anterior disentildeo se logra obtener el factor de seguridad que se observa en la
figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Fuente Propia
Es asiacute como se lleva a cabo este procedimiento para los materiales de MH Limo
de alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
El disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 con una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se observa en la figura
16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
75
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad observado en la figura 17 Factor de
seguridad para MH dinaacutemico
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico
Fuente propia
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 0 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 025 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12 Modelo de Slide para un CL estaacutetico el cual se observa
76
en la Figura 18 Modelo de Slide para un CL dinaacutemico
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad del talud en condicioacuten de sismo visto
en la figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Fuente propia
77
De esta manera se modifican en el modelo los valores de Ru=0 025 y 05 y las
alturas de 10m y 20m con aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
relacionaacutendolos entre siacute obteniendo el factor de seguridad para condiciones
estaacuteticas en 144 modelos en condiciones estaacuteticas y dinaacutemicas En la segunda
modelacioacuten se realiza el mismo procedimiento con 120 modelos incluyendo
valores de Ru= 01 y 04 con una altura especifica de 10 metros para diferentes
aacutengulos
De donde se obtiene como resultado la matriz de factores de seguridad que se
muestra en la tabla 17 Valores de factor de seguridad
Tabla 17Valores de factor de seguridad
Fuente propia
De estos resultados se efectuacutea el anaacutelisis de graacuteficas que se observa en el
numeral 8anaacutelisis de resultados comparando el factor de seguridad vs el aacutengulo
para diferentes alturas del talud con presencia de CH MH y CL en
condiciones dinaacutemicas y estaacuteticas como se muestra en la figura 20 Comparacioacuten
de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para Ru=00
CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670
0
Ru
025
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
30
RuALTURAANGULO
78
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten
estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
Fuente propia
De esta manera para los 120 modelos donde los Ru= 00 01 025 04 y 05 con
una altura de 10 metros y aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75 ordm se
elaboran las graacuteficas en Excel con el fin de hacer una comparacioacuten de cada uno
de los aacutengulos con respecto al valor de factor de seguridad vs ru en estado
dinaacutemico y estaacutetico que se muestra en la Figura 21 Graacutefica Factor de seguridad
Vs Ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y altura de 10 m en CH
MH y CL de esta manera se estudian los comportamientos respectivamente en el
iacutetem 8anaacutelisis de resultados
79
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente propia
Con el fin de obtener la cohesioacuten a la que un talud compuesto por suelos
expansivos con aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm a una altura de 10 metros cumple
con los factores de seguridad expuestos en el numeral 732 Seleccioacuten de valores
de sismo y ru en estado estaacutetico y dinaacutemico se ejecuta una sensibilizacioacuten del
paraacutemetro cohesioacuten para los diferentes modelos modificando asiacute el valor de ru
en 00 01 025 04 y 05 siendo 00 la condicioacuten seca o en estado natural del
suelo 025 condicioacuten intermedia de nivel de agua en el talud y 05 condicioacuten de
saturacioacuten mientras que 01 y 04 son valores intermedios
Se realiza el siguiente procedimiento con cada uno de los modelos en donde se
encuentra una modificacioacuten de la geometriacutea (aacutengulo) el valor ru y su condicioacuten
estaacutetica o dinaacutemica
80
1 Se toma como ejemplo el modelo de talud para10 metros con un aacutengulo
de 30ordm con material de arcilla de alta plasticidad se verifica que se
encuentre la seleccioacuten en anaacutelisis Project settings statistics y se
selecciona sensitivity analysis Como se muestra en la figura 22
Sensitividad de paraacutemetros
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros
Fuente propia
2 Se seleccionan las variables y se escriben los valores de cohesioacuten que en
este caso son de 469 knm2 para CH 35 knm2 para CL y 35 knm2 para
MH en cada uno de los modelos correspondientes a cada material y con
su respectiva geometriacutea determinando los rangos de las variables que en
este caso se manejan 20 por encima y por debajo para el CH y 30 por
encima y por debajo para el CL y MH como se muestra en la figura 23
Rangos de variables
81
Figura 23 Rangos de variables
Fuente propia
3 Se corre el modelo con el fin de obtener la falla que presenta el talud y
cuando se obtiene se da clic en statistics sensitivity analysis plot se
selecciona cohesioacuten y el meacutetodo que para este caso es bishop y se da clic
en plot de donde se obtiene la graacutefica factor de seguridad vs cohesioacuten Que
se muestra en la figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud
compuesto por CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
82
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con altura de
10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
Fuente propia
4 La figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por
CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm se exporta a Excel y
se realiza el mismo procedimiento para los aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
para cada uno de los materiales CH MH y CL de donde se modifica la
condicioacuten de ru y de estaacutetico a dinaacutemico de donde se obtienen las graacuteficas
correspondientes a cada uno de los aacutengulos por cada material Como se
muestra en la figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH CL y
MH con altura de 10 m con ru=00 01025 04 y 05 en condicioacuten
estaacutetica y seudo-estaacutetica
83
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con ru=00 en
condicioacuten estaacutetica
Fuente propia
5 Al obtener las graacuteficas para CH MH y CL con condiciones de ru=00 01
025 04 y 05 se traza un liacutenea horizontal en el valor de 15 para condicioacuten
estaacutetica y en 105 para condicioacuten dinaacutemica que se describen en la tabla
7Factores de seguridad indirectos miacutenimos tomados de la NSR-10 y una
liacutenea vertical que intersecta con la liacutenea horizontal con las pendientes
correspondientes a cada uno de los valores de factor de seguridad vs
cohesioacuten que se realiza para cada aacutengulo encontrando asiacute el valor de
cohesioacuten de tal manera que los mismos indican que para las condiciones
geomeacutetricas descritas los valores de cohesioacuten que se muestran en el
anexo 4 Valores de cohesioacuten para suelos expansivos cuando se tiene un
84
valor menor al mostrado en la tabla los valores de factor de seguridad no
cumplen y es necesario realizar una modificacioacuten en el talud con el fin de
obtener estabilidad en la estructura El procedimiento para la obtencioacuten del
valor de cohesioacuten se realiza como se muestra en la figura 26 Valor de
cohesioacuten para un CH con ru=00 en condicioacuten estaacutetica para aacutengulos de
30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y 05 en
condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
85
86
87
88
89
Fuente propia
6 A traveacutes de este proceso se obtienen los resultados que se muestran en el
anexo 4Valores de cohesioacuten para suelos expansivos
90
8 ANALISIS DE RESULTADOS
A continuacioacuten se presentan los resultados y anaacutelisis de comportamiento de los
taludes compuestos por suelos expansivos Dichos resultados se asocian al valor
de factor de seguridad de los modelos disentildeados en el software Slidereg de
acuerdo a paraacutemetros geomecaacutenicos descritos en el titulo 73 Seleccioacuten de
paraacutemetros encontrados en el libro Expansive Soils de Amer Ali Al-Rawas amp
Mattheus FA Goosen de tal manera que los resultados se asocian a diferentes
condiciones como los son dinaacutemicos y estaacuteticos y cambios en el valor de ru con
respecto a alturas de 10 metros y 20 metros
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=0 en
CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 27 se analiza un comportamiento la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten en un 28 para estado
estaacutetico dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
91
expansivos siendo evidente que la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) tanto
para la altura de 10m como para la de 20m presenta un porcentaje de reduccioacuten
136 y 212 en comparacioacuten a los demaacutes tipos de suelos expansivos debido
a que tiene menor consistencia
Por lo tanto el limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor
aacutengulo de inclinacioacuten muestra un factor de reduccioacuten de 59 sin embargo su
factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada
a medida que aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas es menor
al aumentar la inclinacioacuten del talud FS disminuyendo de manera leve
En la graacutefica se evidencia que cerca de los 60deg de inclinacioacuten del talud para una
altura de 20 m MH y CH se comportan de manera similar con un factor de
seguridad de 101 y 096 equivalente al 55 respectivamente lo que indica
inestabilidad seguacuten la norma NSR-10 Tiacutetulo H Tabla H69-1 donde se especifica
que la estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetico debe ser
de 150 Mientras que en un talud de 10 m cerca de los 45deg de inclinacioacuten tanto el
MH como el CH presentan un comportamiento similar con un factor de seguridad
de 2 cumpliendo el factor miacutenimo que rige la Norma NSR-10
Al observar en la graacutefica la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) en un talud
de 20 m a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten presenta inestabilidad auacuten en condicioacuten
estaacutetica y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru
Finalmente en condiciones estaacuteticas y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru el material
oacuteptimo es CH solo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier
inclinacioacuten muestra estabilidad con un factor de reduccioacuten del 28 Cumpliendo
con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
92
Es asiacute como es preciso aclarar que en cualquier caso el FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 28 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y el paraacutemetro ru dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un talud de altura de 20m
cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 correspondiente a
150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo representa con
paraacutemetro ru el cual afecta de manera directa al talud
Uno de los factores de gran importancia es la geometriacutea que representa el talud
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
93
debido a que para un talud de 10 m hasta 20 metros el factor de reduccioacuten oscila
entre el 40 al 60
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo su factor de seguridad
disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada a medida que
aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas (C) es menor al
aumentar la inclinacioacuten del talud el FS disminuye de manera leve Este
comportamiento continua siendo caracteriacutestico de este material pues al ser
comparado con la Figura 27 el material es inadecuado no solo al aumentar la
inclinacioacuten sino tambieacuten a la presencia de agua en el suelo
En la graacutefica se puede evidenciar que cerca de los 50deg de inclinacioacuten para una
altura de 20 m MH y CH se comportan con un valor de 17 de manera diferente
quiere decir que su porcentaje restante su comportamiento es igual Sin llegar a
cumplir con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de 10 m
cerca de los 30deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CH presentan un
comportamiento similar cumpliendo con FS=21
Finalmente en condiciones estaacuteticas y con ru=025 el material oacuteptimo es CH
soacutelo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra
estabilidad modificado con el 28 de probabilidad Cumpliendo con el valor
miacutenimo establecido en la NSR-10
Entonces es preciso aclarar que en cualquier caso FS inversamente proporcional
al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
94
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 29 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y en condicioacuten criacutetica de saturacioacuten con ru=05
dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un
talud de altura de 20m cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-
10 correspondiente a 150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo
afecta de manera directa al talud y al comportamiento mecaacutenico del suelo
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 ESTAgraveTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
95
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material genera
condiciones inadecuadas no solo al aumentar la inclinacioacuten sino tambieacuten a la
presencia de agua en el suelo En donde se evidencia que para un CH con
presencia de ru= 00 hasta ru=05 su factor de reduccioacuten se ve modificado en un
1 mientras que para MH da un valor de 1982 y para un CL de 01
Cabe resaltar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para una altura de 20 m MH y
CH se comportan de manera similar con un FS=100 lo que indica estabilidad
pero no cumple con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de
10 m cerca de los 70deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CL presentan un
comportamiento similar con FS=125 A partir de eacuteste uacuteltimo anaacutelisis es importante
aclarar que el MH ya no se relaciona con el comportamiento del CH sino del CL
Finalmente en condiciones estaacuteticas y condicioacuten criacutetica de ru=05 el material
oacuteptimo sigue siendo CH como en los casos anteriores pero solo en un talud de
10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con factores
de reduccioacuten que no cambian bruscamente si no que oscilan entre el valor de
338 hasta 332 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo lo descrito anteriormente indica que en cualquier caso se analiza que el
FS es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
96
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=000
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 30 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
dinaacutemica con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica de 025 descrito en la
seleccioacuten de valores de sismo (iacutetem 732) del presente proyecto ninguno de los
materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m de
altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo afecta de
manera directa al talud
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
97
El MH es el material que a menor aacutengulo de inclinacioacuten de 51ordm en condiciones
dinaacutemicas muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material presenta
comportamientos mecaacutenicos deacutebiles no solo al aumentar la inclinacioacuten sino
tambieacuten a la presencia de un sismo lo cual se evidencia en el 187 con ru=00
y se evidencia en ru=05 con un porcentaje de 669
De tal manera se evidencia que a los 45deg de inclinacioacuten para el MH en un talud
de altura de 20 m y un CL con un talud de 10 m de altura se comportan de
manera similar comparaacutendolo con una diferencia del 08 de tal manera que a
pesar de sus diferencias dichos factores le generan inestabilidad a el talud Por
lo tanto para un aacutengulo de inclinacioacuten de 30deg y una altura 10 m su inferencia con
respecto al factor de seguridad es del 1 cumpliendo asiacute para los valores
descritos en la matriz de resultados con la NSR-10
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo sigue siendo CH como
en los casos anteriores ya que cumple con el 313 pero solo en taludes de 10
m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre
1242 y 146 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo ello indica que en cualquier caso se analiza que FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura aun en condiciones dinaacutemicas
98
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 31 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales que se analizan en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de
10 m de altura cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo y de agua en el
suelo afecta de manera directa al talud teniendo en cuenta que el factor de
reduccioacuten para un CH es de 505 en condiciones de 75ordm de inclinacioacuten
mientras que para MH es mayor pues es de 628 y para el CL de 504
De esta manera se observa que a los 60deg de inclinacioacuten para el MH y el CL en un
talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un factor de
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
99
reduccioacuten de 256 lo que indica inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta
para todos los materiales en un talud de 20 m de altura y en una altura de 10 m
para los CL
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo continuacutea siendo CH
como en los casos anteriores pero solo en un talud de 10 m de altura puesto que
frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre 1238 y
1454 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10 Sin embargo el
MH tambieacuten se comporta de manera adecuada hasta inclinaciones de 60deg puesto
que bajo estas condiciones presenta FS entre 1131 y 1307
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 32 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
100
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m
de altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 esto se
debe a que la presencia de sismo y de agua en el suelo afecta de manera directa
al talud siendo el factor de reduccioacuten para las arcillas cercano al 1 mientras que
para los limos da superior al 20
Es asiacute como se puede observar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para el MH y
el CL en un talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un
porcentaje igual de 447 lo que con lleva a que el comportamiento mecaacutenico del
suelo no es igual y genera inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta para
todos los materiales en un talud de 20 m de altura y el CL en una altura de 10 m
En condiciones dinaacutemicas el material con las mejores caracteriacutesticas se suelo es
el CH como en todos los casos mencionados anteriormente pero solo en un talud
de 10 m de altura puesto que frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra
estabilidad con FS entre 1233 y 1447 Sin embargo el MH tambieacuten se comporta
de manera adecuada hasta inclinaciones de 45deg puesto que bajo estas
condiciones presenta FS entre 1111 y 1139
Es asiacute como se concluye que FS es inversamente proporcional al aacutengulo de
inclinacioacuten a la altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica al ser comparado
entre los modelos con las diferentes condiciones de sismo
Es evidente la influencia que tiene la presencia de agua en los suelos expansivos
a continuacioacuten se presenta un anaacutelisis del comportamiento de los suelos ante la
variacioacuten del paraacutemetro ru para taludes con una altura de 10m con el fin de
analizar cuaacutel de estos materiales se ve maacutes afectado por dicho paraacutemetro
101
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 33 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad (FS) de manera
insignificante al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y 05 con
factores de reduccioacuten de 392 hasta 328 desde 30ordm de inclinacioacuten hasta 75ordm
respectivamente cumpliendo con el factor de seguridad descrito en la NSR-10
(15 en condicioacuten estaacutetica) A diferencia del limo inorgaacutenico de alta plasticidad
(MH) que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a medida que
aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS entre 2416 y 1937 Por otro lado la
arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH) disminuye FS de 2127 a 2105 a medida
que aumenta el paraacutemetro ru
A partir de lo mencionado es claro que el factor de seguridad es inversamente
proporcional al paraacutemetro ru puesto que a mayor presencia de agua en el suelo
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
000 020 040 060
FS
RU
30ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
102
menor factor de seguridad el cual se hace evidente en el cambio que se presenta
para los diferentes materiales que como ejemplo se cita del CH que para un
aacutengulo de 30ordm 10 metros de altura con ru=0 hasta 05 brinda un factor de
reduccioacuten del 1034
Se evidencia que el CH tiene un comportamiento constante frente al cambio del
factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas cumplen con respecto al valor
brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se establece
a 105 pues los valores del FS oscilan entre 1460 hasta 1447 que comparado
con el material de MH para un aacutengulo de 30ordm la diferencia estaacute en un 1306
mientras que para el CL es de 309
El CL el FS es de 0909 hasta 0906 donde el ru=00 y ru=05 teniendo
posibilidades altas de falla con respecto a los materiales CH y MH siendo
afectado cada uno de los suelos por la condicioacuten dinaacutemica que hace a los
materiales propensos para que ocurra fenoacutemenos por remocioacuten en masa
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 30deg y una altura de 10 m
todos los materiales son oacuteptimos siendo MH el mejor de ellos representado en
porcentajes de 1982 hasta el 3914 Mientras que en dinaacutemico el CL No
cumple en ninguacuten momento con los paraacutemetros establecidos por la norma sismo
resistente mientras que los otros materiales si hasta cierto aacutengulo de inclinacioacuten
como se especifica en el anexo 3 Modelacioacuten adecuada para taludes compuestos
por suelos expansivos
103
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 45deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 34 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad a medida que
aumenta el contenido de agua en el suelo al igual que el CH y MH
De tal manera que para el material CH los valores de ru=00 entre el 1 al 29
esto se debe a que la modificacioacuten que le pueda llegar a generar el agua al suelo
es miacutenima frente al resto de materiales pues en el MH da un valor del 30 Lo
cual indica que existe un paso raacutepido del agua por las partiacuteculas del suelo
generando asiacute que en condicioacuten estaacutetica para una inclinacioacuten de 45deg el CL no
cumpla con respecto al factor de seguridad de la norma NSR-10 mientras que
MH y CL si siendo CH el material maacutes oacuteptimo para estas condiciones de talud
Se infiere que al aumentar el aacutengulo a 45ordm el factor de seguridad disminuye
siendo dicho valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0500
1000
1500
2000
2500
000 020 040 060
FS
RU
45ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
104
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 se observa que para los
suelos CH y MH cumple para el aacutengulo de 45ordm mientras que para el suelo CL no
cumple con dicha condicioacuten cuando presenta un fenoacutemeno de sismo
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 60deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 35 se evidencia que CL describe un comportamiento constante que
disminuye FS en un 27 al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y
05 con FS entre 024 a 044 respectivamente incumpliendo la NSR-10 A
diferencia del MH que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
000 020 040 060
FS
RU
60ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
105
medida que aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS Por otro lado en el suelo
compuesto por CH disminuye en 14 a medida que aumenta la condicioacuten de
agua
Se observa que el CH presenta un comportamiento constante frente al cambio
del factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas que cumplen con respecto al
valor brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se
establece a 105
De tal manera que el comportamiento para el MH se evidencia que el FS es
inversamente proporcional al factor ru debido que al aumentar las condiciones de
ru en el talud el FS disminuye cumpliendo con el valor miacutenimo descrito en NSR
10 hasta un ru de 04
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 45deg y una altura de 10 m
solo el CH y MH cumplen con el factor siendo materiales oacuteptimos para el disentildeo
siendo CH el mejor de ellos en condicioacuten dinaacutemico el CL no cumple con el factor
de seguridad miacutenimo establecido mientras que el CH es un material oacuteptimo para
las diferentes condiciones establecidas el MH en cambio cumple con aacutengulos
menores a 72ordm con un ru=025 mientras que en condiciones totalmente
saturadas cumple para aacutengulos de inclinacioacuten menores a 59ordmcomo se evidencia
en el anexo 3modelacioacuten adecuada para taludes compuestos por suelos
expansivos
106
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 75deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
En la figura 36 se evidencia que para condiciones estaacuteticas el FS se cumple
para el material de CH mientras que para los otros materiales de MH y CL no
cumple con las condiciones debido a que se encuentra por debajo de lo
establecido que es de 15 con la altura de 10 m De esta manera se evidencia en
los tres materiales que el FS es inversamente proporcional al ru con cambios de
08 en el valor del ru=0 hasta un 15 para un CH mientras que para el MH
varia entre el 2488 hasta el 3734 y para un CL la variacioacuten es de 018 a
025 pues entre mayor es dicho coeficiente menor es el factor de seguridad
Siendo afectado igualmente por el aacutengulo de inclinacioacuten y la geometriacutea del talud
Es asiacute como se infiere que al aumentar el aacutengulo a 75ordm el factor de seguridad
disminuye siendo el valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
000 020 040 060
FS
RU
75ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
107
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 cuando se encuentra
amenazado por un factor de sismo se observa que para los suelos CH cumple
para el aacutengulo de 75ordm mientras que para el suelo MH cumple hasta condiciones
de ru= 01 lo que indica que para condiciones de ru= 025 04 y 05 no cumpliriacutea
con dicha condicioacuten es asiacute como se observa el CL no cumple las condiciones
miacutenimas para el factor de seguridad en condiciones dinaacutemicas
Al realizar los diferentes modelos con las condiciones descritas se observa que el
paraacutemetro geomecaacutenico que modifica el comportamiento de los suelos expansivos
presentes en un talud es la cohesioacuten por lo tanto se ejecuta sensibilizacioacuten del
paraacutemetro y se hace una anaacutelisis del comportamiento que presenta frente a
cambios de geometriacutea y paraacutemetro ru de donde se observa que de los valores
descritos en el anexo 4 Para un ru establecido con una altura y aacutengulos
seleccionados se debe tener una cohesioacuten mayor al valor presentado en la tabla
pues se tiene en cuenta que a partir de un factor de seguridad en condiciones
estaacuteticas 15 los valores de cohesioacuten deben estar por encima de dicho valor
mientras que en condiciones dinaacutemicas deben estar por encima del valor de 105
lo que indica que entre mayor sea el valor de cohesioacuten a los valores determinados
mayor seraacute la atraccioacuten y unioacuten de las partiacuteculas del suelo evitando asiacute que se
presente un proceso de remocioacuten en un talud aumentando respectivamente el
factor de seguridad
108
9 CONCLUSIONES
Se definieron los paraacutemetros geomecaacutenicos de los materiales que se analizan en
cada una de las modelaciones (arcillas y limos) a partir de la informacioacuten descrita
en los antecedentes del presente trabajo de grado Gracias al libro de Amer Ali Al-
Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soil En Effect of remolding
techniques on soil swelling and shear strength properties Londres Taylor amp
Francis e-Library 2006 a partir del cual se obtiene detalle sobre los
comportamientos de suelos expansivos en taludes de tal manera que se ejecutan
diferentes modelaciones en las que se tienen en cuenta cambios en la geometriacutea
con el fin de comparar los factores de seguridad a traveacutes de graacuteficas de las cuales
se concluyoacute
El factor de seguridad es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la
altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica de donde se observa
detalladamente la influencia de la altura en el disentildeo del talud en el cual se
identifica que para alturas de 20 m conformado por este tipo de suelos bajo esta
condiciones de modelacioacuten los factores de seguridad tanto en condiciones
dinaacutemicas como estaacuteticas estaacuten por debajo del valor descrito en la Norma Sismo
Resistente Colombiana tiacutetulo H tabla H69-1 en donde se especiacutefica que la
estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetica debe ser de 150
y para condicioacuten dinaacutemica 105 sin embargo para los taludes con alturas de 10 m
se identifica que los suelos compuestos por arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(MH) son materiales con excelentes comportamiento en condicioacuten estaacutetica y
dinaacutemica mientras que el limo inorgaacutenico de alta plasticidad es oacuteptimo en
condiciones criacuteticas con sismo y ru=05 para inclinaciones de 45deg o menores y
con sismo y ru=025 inclinaciones de 60deg o menores
109
La arcilla de alta plasticidad (CH) contiene una cohesioacuten mayor comparada a la
de la arcilla de baja plasticidad (CL) y al limo de alta plasticidad (MH) lo que
indica una mayor resistencia a la presencia de agua lo que genera mayor
estabilidad en el talud asiacute mismo el CH por presentar un valor de liacutemite liacutequido
mayor es susceptible al cambio de estado de plaacutestico a liacutequido contrario a lo que
sucede con el MH ya que su liacutemite plaacutestico es mayor al resto de los suelos debido
a esto es susceptible al cambio de estado de semi-soacutelido a plaacutestico De igual
manera para que la arcilla de alta plasticidad cambieacute de estado es necesario que
el suelo presente un mayor valor de ru=05 que en suelos expansivos este valor
es hasta 067
Para las modelaciones que se realizan en el presente proyecto se utiliza el
software Slidereg el cual resulta de faacutecil manejo con respecto al anaacutelisis del factor
de seguridad en diferentes condiciones de ru en estado dinaacutemico y sismo Asiacute
mismo el meacutetodo utilizado (Bishop simplificado) es un meacutetodo que a pesar de solo
satisfacer el equilibrio de momentos y no cumplir con la totalidad de las
ecuaciones de la estaacutetica presenta exactitud frente a los resultados que se
obtienen en comparacioacuten al meacutetodo ordinario El cual utiliza las dovelas en donde
se tiene en cuenta las fuerzas entre las mismas siendo el maacutes utilizado para
calcular el factor de seguridad de los taludes la uacutenica restriccioacuten que presenta es
que solo considera las superficies de falla circulares
Con respecto al aacutengulo de inclinacioacuten en un talud el mismo tiene una afectacioacuten
directa del factor de seguridad ya que a medida que la reconformacioacuten geomeacutetrica
del talud aumenta se genera una condicioacuten de inestabilidad directa con respecto
a la geometriacutea lo que se evidencia en las graacuteficas para un talud de 30ordm a 75ordm
respectivamente en un 28 en estado estaacutetico y un 16 en estado dinaacutemico para
un MH en estado estaacutetico es un factor de reduccioacuten de 59 mientras que en
dinaacutemico es del 42 y para CL es de 27 para dinaacutemico y estaacutetico
110
10 RECOMENDACIONES
Dentro de las recomendaciones se exponen las diversas limitaciones existentes en
cuanto a paraacutemetros geomecaacutenicos que se usan en las modelaciones y los
meacutetodos para observar el comportamiento mecaacutenico del suelo y el caacutelculo del
factor de seguridad
Para los paraacutemetros geomeacutetricos de los taludes modelados se recomienda el
disentildeo de taludes de 45deg a 60deg dependiendo del espacio del terreno ya que una
mayor inclinacioacuten implica mayores costos y el talud se hace susceptible a sufrir
procesos de remocioacuten en masa Asiacute mismo se recomiendan alturas de 10 m para
este tipo de suelos expansivos ya que mostraron mejores factores de seguridad
Cuando se tiene presencia de limos de alta plasticidad se hace necesario tener
inclinaciones en los taludes menores a 67ordm con alturas de 10m y Ru=0 mientras
que para un Ru=025 se recomienda hacer el disentildeo de un talud con una
inclinacioacuten menor a 51ordm y en estado dinaacutemico con una inclinacioacuten menor a 72ordm y
con un Ru=05 menor a 59ordm con el fin de que cumpla con los criterios descritos en
la Norma Sismo Resistente Colombiana titulo H
Para obtener el disentildeo de un talud en el presente proyecto de grado se
recomienda tener precisioacuten en el suelo sobre el cual se vaya a disentildear debido a
que se presenta los paraacutemetros geomecaacutenicos para resultados de factores de
seguridad que dependen por completo de la definicioacuten de los mismos y al
variarlos no se comportaraacuten de la manera en que se analizoacute en el presente trabajo
de grado Esto se comprueba durante la modelacioacuten realizada debido a que se
generan diferentes modelos con diferentes paraacutemetros geomecaacutenicos no
mencionados en el presente trabajo pero si tenidos en cuenta para la seleccioacuten
de los mismos
111
En la modelacioacuten de taludes del proyecto se utilizoacute el meacutetodo de Bishop
Simplificado para la modelacioacuten en el software Slidereg de tal manera que la
modelacioacuten queda abierta a la utilizacioacuten de los diversos meacutetodos existentes
112
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H5Excavaciones y estabilidad de taludes
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Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de Campoalegre ndash Ciudad de
Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47
regionales [en liacutenea] lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril
del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
SUAREZ DIacuteAZ JAIME Universidad central de Santander Profesor de la
facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y
estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
TESIS MEacuteTODOS DE EXPLORACIOacuteN DE SUELOS [En liacutenea]
lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en 23 de
Junio de 2015]
VILLALAZ CARLOS CRESPO Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta
edicioacuten Mexico Limusa 2004ISBN 968-18-6489-1 [En liacutenea] lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-
dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
1
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDAD
Fuente propia
ANGULO
(ordm) H(m) RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05
10 136 80 08 212 309 304 377 374 136 79 07 213 392 244 382 204 392 244 382 205 309 304 377 374
20 525 178 17 202 290 273 281 270 525 143 452 52 535 364 505 306 534 364 505 306 290 273 281 270
10 08 178 17 201 308 304 372 368 08 178 17 202 313 154 361 207 313 154 361 208 308 304 372 368
20 236 90 310 57 316 308 312 303 236 89 310 57 440 239 475 260 447 240 475 260 316 308 312 303
10 86 266 72 240 308 305 355 352 86 266 72 240 243 54 305 147 244 54 305 147 308 306 355 352
20 55 253 176 173 350 343 291 282 55 254 176 174 384 119 397 131 384 119 397 131 349 343 291 282
10 156 361 109 304 309 305 331 327 156 361 19 34 182 88 249 33 182 88 249 33 309 305 331 327
20 23 367 104 298 312 303 313 304 23 368 104 298 328 101 378 10 328 101 378 10 312 304 314 305
ANGULO
(ordm) H(m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICOESTAacuteTICO DINAgraveMICO RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 10 09 1982 2250 020 033 313 313 413 412 380 381
20 29 20 1333 2900 191 061 338 332 369 385 329 329
10 08 09 1908 1940 022 022 295 295 312 316 359 324
20 17 19 2760 2940 043 064 328 340 288 363 360 325
10 07 07 2025 1860 024 023 257 257 245 200 306 306
20 14 17 3026 3093 032 044 323 325 245 252 262 262
10 08 07 2488 2249 018 010 198 200 152 124 223 222
20 15 15 3914 3734 037 025 246 246 187 163 248 24775
45
60
462
475
472
516505
546
578
633
503
502
503
504
ALTURA DE 10 metros A 20 metros
460
473
526
535
527
551
574
628
CH MH CL
528
502
478
521
CH MH CL
DE ESTAacuteTICO A DINAacuteMICO
RU=00 A RU=05
CL
ESTATICO DINAMICO
RU=00 A RU=05 RU=00 A RU=05
CL
MH CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
CAMBIO DE RU
MH
30
MH
CH CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTATICO DINAMICO
30
45
60
75
CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
MH CL
ESTATICO DINAMICO
116
2
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA GEOMETRIacuteA
Fuente propia
H (m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 28 16 59 42 27 27
20 26 16 69 59 9 18
CH MH CL
CON INCLINACIONES DE 30ordm A 75ordm
117
3
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
Fuente propia
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
NO CUMPLE
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X lt669ordm X lt59ordm X lt51ordm X X X X X X X lt72ordm X lt59ordm
NO CUMPLE gt67ordm gt60ordm X gt52ordm X gt73ordm gt60ordm X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
10 CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
10
20
RU=00 RU=025 RU=05RU=00 RU=025 RU=05
20
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
10
20
CL
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
118
4
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOS
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 325 352 39 45 33 36 39 46 36 38 43 50 34 36 395 465 335 36 40 465
MH C(Knm2) 15 235 31 42 23 32 39 44 20 27 36 475 23 30 38 51 223 31 40 52
CL C(Knm2) 39 42 49 58 36 39 42 50 33 35 39 45 36 385 425 495 359 389 43 495
DINAacuteM
ICA
RU RU RU RU RU
ESTAacuteTI
CARU RU RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
RU
0 01 025 04 05
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 34 353 36 392 34 35 36 391 34 352 37 40 34 353 37 40 34 353 37 40
MH C(Knm2) 0 0 0 328 0 0 30 347 0 0 32 375 0 31 348 408 30 33 36 425
CL C(Knm2) 404 42 424 443 404 42 425 442 40 418 42 442 405 42 424 442 408 419 42 442
DINAacuteM
ICA
RU RU
04 05
RU
025
ANGULOS (ordm)ANGULOS (ordm)
0
RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
01
ANGULOS (ordm)
119
3
Agradecimientos
En este tiempo de estudio varias personas han contribuido con el logro de los
objetivos planteados
Agradecemos naturalmente a la Universidad La Gran Colombia sede en Bogotaacute
en donde adquirimos la formacioacuten acadeacutemica que nos permitioacute el desarrollo de la
presente investigacioacuten desenvolviendo la temaacutetica con los profesionales Ic MSc
Christian Camilo Gutieacuterrez Angulo y Licenciado Roy Morales Perez quienes nos
orientaron se preocuparon y nos brindaron valiosos aportes durante el desarrollo
de la investigacioacuten
A nuestras familias quienes han estado y siempre estaraacuten acompantildeaacutendonos en el
emprendimiento de retos venideros
4
CONTENIDO
LISTA DE TABLAS7
LISTA DE FIGURAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
GLOSARIOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15
2 ANTECEDENTES 17
3 OBJETIVOS 22
31 OBJETIVO GENERAL 22
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS 22
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos 22
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos 22
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos 22
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos 22
4 JUSTIFICACIOacuteN 23
5 MARCO REFERENCIAL 25
51 MARCO CONCEPTUAL 25
Suelos Expansivos 26 511
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 38 512
52 MARCO LEGAL 42
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO 43
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN 43
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN 43
63 DISENtildeO MUESTRAL 43
5
Poblacioacuten universo 43 631
Muestra 44 632
Individuo 45 633
Variables 45 634
64 FASES DEL PROYECTO 46
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas 46
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 47 642
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 48 643
7 DESARROLLO METODOLOGICO 49
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS 49
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH 51
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS 53
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 53 731
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 64 732
Paraacutemetros geomeacutetricos 67 733
74 DESARROLLO DEL MODELO 67
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 69 741
8 ANALISIS DE RESULTADOS 90
9 CONCLUSIONES 108
10 RECOMENDACIONES 110
11 BIBLIOGRAFIacuteA 112
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDADhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip116
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA
GEOMETRIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip117
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
6
EXPANSIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip118
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip119
7
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos 28
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa 30
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten 31
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos 32
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa 33
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos 37
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes 40
Tabla 8 Normatividad 42
Tabla 9 Variables 45
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos 50
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos 51
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no
consolidado no drenado Suelo natural antes de ser tratado 55
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos 58
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(CH) 61
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad
(CL) 62
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
68
Tabla 17Valores de factor de seguridad 77
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander 26
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo 39
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para MH 56
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para CL 57
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av 64
Figura 6Valores de Kst A max 65
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos 66
Figura 8 Modelo en slide para un CH 69
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico 70
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico 71
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico 71
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico 72
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico 72
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico 73
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico 74
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico 75
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico 75
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico 76
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico 76
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en
condicioacuten estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m 78
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 79
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros 80
Figura 23 Rangos de variables 81
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con
9
altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm 82
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con
ru=00 en condicioacuten estaacutetica 83
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y
05 en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm 84
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=0 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 90
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 92
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 94
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=000 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 96
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 98
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 99
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 101
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
45deg y altura de 10 m en CH MH y CL 103
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
60deg y altura de 10 m en CH MH y CL 104
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
75deg y altura de 10 m en CH MH y CL 106
10
GLOSARIO
Asentamientos deformacioacuten de un suelo
Asentamientos inmediatos causado por la deformacioacuten elaacutestica del suelo la
cual ocurre en estados del suelo saturado seco o huacutemedo
Asentamientos por consolidacioacuten es el cambio de volumen en suelos
cohesivos saturados debido a la expulsioacuten del agua que ocupan los poros Los
suelos cohesivos saturados son suelos arcillosos los cuales dependen de la
permeabilidad que contenga el suelo
Asentamientos por compresioacuten secundaria parte de una deformacioacuten que ya
sucedioacute y ocurrioacute con un esfuerzo efectivo constante con ninguacuten cambio de agua
en los poros siendo dependiente del tiempo esto ocurre por el reajuste del suelo
Colapso disminucioacuten raacutepida de volumen del suelo producida por el aumento de
los siguientes factores contenido de humedad grado de saturacioacuten tensioacuten
mediante actuante tensioacuten de corte y presioacuten de poros
Cohesioacuten es la atraccioacuten entre partiacuteculas originada por fuerzas moleculares y
peliacuteculas de agua Por lo tanto la cohesioacuten de un suelo variaraacute si cambia el
contenido de humedad esta propiedad se mide en kgcm2
Criterio de falla se da cuando en una familia de facetas de la tensioacuten alcanza
una inclinacioacuten criacutetica (f) con la normal a la faceta La ruptura seraacute cuando la
tensioacuten tangencial alcanza el valor mayor de esfuerzos cortantes
Expansioacuten la alteracioacuten de las condiciones naturales de una arcilla que
11
produzcan cambios en el contenido de agua esta se integra con la estructura
laminar de la arcilla y si estaacute confinado presentara una elevacioacuten en las presiones
internas del material
Factor de seguridad es empleado para comprender cuaacutel es el factor de que el
talud falle en las peores condiciones de comportamiento Fellenius (1927)
presentoacute el factor de seguridad como la relacioacuten entre la resistencia al corte real
calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte criacuteticos que tratan de
producir la falla a lo largo de una superficie supuesta
Friccioacuten es la resistencia al deslizamiento causado por la friccioacuten existente entre
las superficies de contacto de las partiacuteculas y su densidad de tal manera que es el
aacutengulo cuya tangente es la relacioacuten entre la fuerza que resiste el deslizamiento a
lo largo de un plano y fuerza normal aplicada a este plano
Geomecaacutenico implica el estudio geoloacutegico del comportamiento del suelo y las
rocas
Grietas de contraccioacuten fisuras relativamente anchas respecto a la longitud que
se abren cuando se contrae el suelo o una roca Su formacioacuten constituye un
fenoacutemeno caracteriacutestico de los suelos arcillosos que al descascararse forman una
red poligonal de las grietas de retraccioacuten
Grietas en cuntildea son verticales y son producidas en regiones friacuteas que se
encuentran formadas tras la congelacioacuten raacutepida del suelo
Hinchamiento separacioacuten de las laacuteminas que componen las arcillas por la
absorcioacuten de agua en el espacio inter-laminar
12
Iacutendice de plasticidad diferencia numeacuterica entre el Limite Liquido y el Limite
Plaacutestico Define el campo plaacutestico de un suelo y representa el porcentaje de
humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plaacutestico
Inestabilidad desequilibrio fluctuacioacuten e inconsistencia de un terreno cuando es
afectado por agentes externos
Limite liacutequido es el contenido de agua expresado en porcentaje respecto al
peso del suelo seco que delimita la transicioacuten entre el estado liacutequido y plaacutestico de
un suelo remoldeado o amasado
Liacutemite de contraccioacuten contenido de humedad por debajo del cual se produce
una reduccioacuten adicional de volumen o contraccioacuten en el suelo
Ladera declive lateral de un terreno cuya pendiente se conforma a traveacutes del
aacutengulo que se formoacute con la horizontal
Sensitividad proporcioacuten de la resistencia a compresioacuten simple en estado
inalterado entre la del estado remoldeado
Sensibilidad de paraacutemetros geoteacutecnicos es el anaacutelisis del comportamiento de
las propiedades que influyen en la estabilidad de taludes
Suelo parte superficial de la corteza terrestre bioloacutegicamente activa que proviene
de la desintegracioacuten o alteracioacuten fiacutesica
Suelos colapsables son los suelos que presentan un cambio de relacioacuten entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia uacuteltima
del material A este grupo pertenecen las arcillas cementadas los limos y rocas
13
de gran porosidad
Suelo expansivo es un tipo de suelo capaz de producir un aumento de volumen
en relacioacuten con los cambios de humedad que puedan llegar a presentarse Dichos
materiales tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla
debido a su estructura
Suelos desmoronables suelos en los que sin la presencia o cambio de
condiciones son capaces de producir colapso donde no existe un cambio abrupto
en relacioacuten presioacuten-deformacioacuten La saturacioacuten produce un cambio volumeacutetrico
debido al incremento de presioacuten de poros que origina la resistencia al corte del
suelo
Talud porcioacuten de tierra elevada de dimensiones variables generalmente
rematando por una cuneta y caracterizado por una vegetacioacuten especiacutefica Dicho
elemento es construido con el tiempo pero tambieacuten puede ser producto de la
ejecucioacuten realizada con una construccioacuten artificial con tierra o piedra de tal
manera que es conformada con cualquier superficie inclinada respecto a la
horizontal
Terreno porcioacuten de espacio generalmente plano de tierra en el cual no se tiene
nada construido de tal manera que se trata de un aacuterea en la que no existe un
edificio o algo que cubra la superficie del mismo
14
INTRODUCCIOacuteN
Uno de los problemas caracteriacutesticos de la ingenieriacutea civil es la estabilidad de
taludes ya que los suelos presentan comportamientos dependiendo de la
estructura que lo componen y de los factores tanto extriacutensecos como intriacutensecos
generando movimiento de tierras que pueden terminar siendo generadores de
procesos de remocioacuten en masa como deslizamientos debidos a fallas rotacionales
o traslacionales o caiacutedas de rocas y detritos generando afectaciones socio-
econoacutemicas a la regioacuten Por ello es importante abordar temas como la estabilidad
de taludes en suelos expansivos como lo son la arcilla de alta plasticidad (CH)
arcilla de baja plasticidad (CL) y limo de alta plasticidad (MH) con el fin de
identificar el comportamientos de dichos suelos ante variables geomeacutetricas de
nivel freaacutetico y sismo A partir de las propiedades geomecaacutenicas de los suelos
expansivos en estudio se modelan los taludes de los diferentes perfiles
estratigraacuteficos con la correspondiente asignacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos
por medio del software Slide reg en el que al variar las condiciones de sismo y
contenido de agua se analiza la influencia que tienen en el factor de seguridad del
talud
La escasez de informacioacuten en el tema del comportamiento de suelos expansivos
genera la importancia necesaria para estudiar y analizar el tema a profundidad
creando herramientas dirigidas a ingenieros civiles tanto en campo como en
oficina para disentildeos oacuteptimos de taludes
15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El territorio colombiano presenta variedad de suelos expansivos por su
complejidad en el comportamiento mecaacutenico se hace necesario conocer la
inestabilidad que pueden presentar principalmente este tipo de suelos1 Es asiacute
como en varias zonas de Colombia se evidencian climas friacuteos-secos lo que
ocasiona una condicioacuten de sequedad que hace que algunos tramos en los taludes
presenten caracteriacutesticas de suelos expansivos2 que se caracterizan por tener
liacutemites miacutenimos y maacuteximos de contenido de humedad entre los cuales se
presenta la expansioacuten y contraccioacuten
De esta manera se identifica que los suelos compuestos por arcillas y limos que
son capaces de retener gran cantidad de agua debido a su estructura este
proceso induce a movimientos que generan grietas y asentamientos del terreno
afectando directamente el comportamiento del suelo problema que se acusa con
los cambios estacionales debido a los ciclos de humedecimiento-secado asiacute
como la ascensioacuten de nivel freaacutetico3 de tal manera que esto presenta un riesgo
para los usuarios de las viacuteas que presentan esta tipologiacutea de material Otra de las
amenazas se identifica cuando ocurre un sismo debido a que estos suelos
tienden a transmitir las ondas del sismo con rapidez y amplitud lo que llega a
generar colapso del talud4
1 MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos
ambientalespg371 2 LEOacuteN SICARD Tomas Enrique Estado del Recurso del Suelo [en liacutenea]
lthttpwwwunperiodicounaleducodperarticleagroquimicos-envenenan-suelos-en-colombiahtmlgt [Citado en 9 de noviembre de 2013] 3ASEFA Patologiacuteas por arcillas expansivas Naturaleza y comportamiento [en liacutenea]
lthttpwwwconcretonlinecomindexphpoption=com_contentampid=3179ampItemid=27gt [citado en 5 agosto del 2015]
4CINNA LOMNITZ Las causas probables de la cataacutestrofe siacutesmica del 19 de septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica
UNAM Ciencia y desarrollo septiembreoctubre 1988 Vol XIV Nuacutem 82 CONACYT
16
Es asiacute como en varios lugares se han reportado movimientos en masa como
deslizamientos y fallas rotacionales en los cortes realizados en laderas debido a
la inestabilidad generada por los materiales de los que se encuentran compuestos
los suelos5
Debido a lo anterior se requiere hacer un estudio a los suelos expansivos los
cuales se identifican mineraloacutegicamente con la determinacioacuten de propiedades
baacutesicas tambieacuten a traveacutes de meacutetodos indirectos del potencial expansivo y
medidas directas de la expansioacuten esto con el fin de observar las caracteriacutesticas
geomecaacutenicas en la ejecucioacuten de taludes seguacuten los factores baacutesicos miacutenimos
descritos en la norma sismo resistente (NSR-10) Titulo H241
Es importante conocer iquestCuaacutel es el comportamiento de los paraacutemetros
geomecaacutenicos de taludes compuestos por suelos expansivos ante variables de
nivel freaacutetico geomeacutetria y sismo
5SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47 regionales [en liacutenea]
lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
17
2 ANTECEDENTES
Uno de los temas de mayor intereacutes en la Ingenieriacutea Civil es la estabilidad del
suelo debido a sus inesperados y diferentes comportamientos para los cuales se
hace necesario el estudio y anaacutelisis taludes con el fin de lograr estabilidad y
factores de seguridad oacuteptimos cuando se encuentran compuestos por suelos
expansivos
Se han presentado diferentes casos en donde se vuelve indispensable realizar
una caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes para el anaacutelisis de la vulnerabilidad
que tiene un sitio referente a un talud en donde se cuenta con aspectos que
definen la amenaza asociada valores encontrados para la vulnerabilidad fiacutesica6
metodologiacutea para la cual se determina el riesgo asociado a dicha vulnerabilidad
En torno a este tema en particular la mayoriacutea de las investigaciones trabajan de
forma aislada la amenaza la vulnerabilidad y no evaluacutean en forma precisa el
riesgo por la accioacuten de procesos de remocioacuten en masa que desestabilizan los
taludes con base en el esquema de la caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes es
posible desarrollar una metodologiacutea que evaluacutee el riesgo asociado a inundaciones
sismos vientos o realizar una metodologiacutea integral que involucre todas esas
variables7
En Colombia se presentan casos diversos de falla en viacuteas un ejemplo es la falla
que ocurrioacute en la viacutea Manizales ndash Mariquita Tramo 5006 Debido a la inadecuada
entrega de la alcantarilla presente en ese sitio esto produjo socavacioacuten en el talud
inferior de la viacutea quitaacutendole el soporte al muro ocasionando su volcamiento Ello
6 HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y vulnerabilidad Fiacutesica por taludes y laderas inestables
en la micro Cuenca de la quebrada Cay Ibagueacute Universidad del Tolima Departamento del Tolima Maestriacutea en
planificacioacuten y manejo ambiental de cuencas 2013 pg 119
7 ibiacuted p 119
18
acelero la rotura de un acueducto veredal que satura el relleno causando paso
restringido de vehiacuteculos a un solo carril8 El objetivo de este estudio fue identificar
las diferentes formas de estabilizacioacuten y plantear la solucioacuten definitiva
correspondiente a un sistema de estructura que consta de pilotes metaacutelicos
generando estabilizacioacuten del talud
La Universidad Nacional incluye en un estudio realizado como parte de la
caracterizacioacuten fiacutesica algunas teacutecnicas para el anaacutelisis de la composicioacuten
mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y propiedades
iacutendice en las arcillas de Barranquilla En donde se tomoacute como base el cambio
volumeacutetrico descrito en la mayoriacutea de investigaciones y como aporte al
conocimiento del comportamiento expansivo de las arcillas del distrito de
Barranquilla (Colombia) con desarrollo de un programa experimental orientado a
caracterizar sus propiedades fiacutesicas micro-estructurales y de comportamiento
geoteacutecnico en muestras naturales inalteradas La caracterizacioacuten fiacutesica incluye
composicioacuten mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y
propiedades iacutendice la microestructura de muestras naturales se analiza
cualitativamente usando teacutecnicas microscoacutepicas (oacuteptica y electroacutenica de barrido) y
deducciones indirectas a partir de curvas de retencioacuten de agua (CRA) por uacuteltimo
el comportamiento geomecaacutenico se enfoca en el estudio del cambio volumeacutetrico
en condiciones de humedecimiento - saturacioacuten y procesos de carga ndash descarga9
Alliacute se concluyoacute que el potencial de expansioacuten colapso bajo carga no depende
exclusivamente de la carga vertical aplicada antes de la saturacioacuten sino de las
condiciones de faacutebrica y succioacuten inicial del material esto difiere en lo que se
encuentra en estudios realizados en la zona10
8 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de
Campoalegre ndash Ciudad de Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
9 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
10 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
19
Se han desarrollado variedad de estudios sobre el comportamiento de suelos
expansivos como ejemplo el libro Expansive Soils editado por Amer Ali Al-Rawas
ampMattheus FA Goosen en el cual se describen avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento de suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar inconvenientes causados por la presencia de
los mismos en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada por la
expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten que presentan
debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel freaacutetico Se analizoacute el efecto
de las teacutecnicas de remoldeo en el hinchamiento de suelos y las propiedades de las
fuerzas de cizallamiento que se presentan en los resultados de los efectos de
meacutetodos sobre la presioacuten por oleaje en el suelo resistencia a la compresioacuten
inconfinada Para lo cual se tomaron tres tipos de suelos CH CL y ML con
muestras inalteradas que fueron seleccionadas en la zona norte de Jordania con
una amplia gama de contenido de arcilla
Las propiedades fiacutesicas de estos suelos incluyendo la gradacioacuten el liacutemite plaacutestico
y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco maacuteximo y el
contenido oacuteptimo de agua se obtienen a traveacutes de las especificaciones con las
que cuentan las normas ASTM Las muestras de suelos perturbados y no
perturbados se obtuvieron de los lugares descritos en el paacuterrafo anterior y fueron
probadas en el laboratorio de mecaacutenica de suelos en Jordan Universidad de
Ciencia y Tecnologiacutea Los especiacutemenes remoldeados estaban preparados para la
compresioacuten inconfinada y los ensayos de hinchazoacuten utilizando tres teacutecnicas de
remoldeo dinaacutemicas estaacuteticas y amasado Esto con el fin de lograr un estudio en
el potencial de hinchamiento de ese tipo de suelos ante los diferentes ensayos La
evaluacioacuten de la presioacuten debida a la hinchazoacuten la inflamacioacuten potencial y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada se vio afectada por el meacutetodo de
remodelacioacuten
20
Por lo tanto de este ensayo se concluyoacute que las muestras inalteradas obtienen
valores altos de presioacuten de hinchamiento la remodelacioacuten dinaacutemica tuvo los
valores maacutes altos de la hinchazoacuten y la compresioacuten inconfinada seguido por la
fuerza estaacutetica y el remoldeo por amasado respectivamente de esta manera se
observa que el contenido inicial de agua afecta tanto a la presioacuten de la hinchazoacuten
como a la resistencia a la compresioacuten inconfinada
De esta manera se encuentra el desarrollo de otro estudio ejecutado en el libro de
Expansive Soils en donde se describe una serie completa de pruebas referidas a
la compresioacuten no confinada (UC) no consolidado no drenado (UU) triaxiales y
columna resonante (RC) se realizaron sobre muestras estabilizadas
quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del sureste de Arlington Texas
despueacutes de haber sido sometido a ciclos (WD) repetidos de humectacioacuten-secado
inducido artificialmente en el laboratorio los cuales arrojaron unos resultados que
se utilizaron para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo plazo la
rigidez el efecto de hincharse y su continua contraccioacuten brindoacute respuesta del
suelo tratado incluyendo resistencia a la compresioacuten no confinada sin olvidar
resistencia al corte moacutedulo de corte dinaacutemico y material de amortiguacioacuten Se
utilizoacute meacutetodos de estabilizacioacuten que incluyen sulfato resistente cemento Tipo V
baja en calcio clase F mosca ceniza cal viva mezclaacutendolas con fibras de
polipropileno Muestras de suelo que se trataron y fueron curadas durante 7 diacuteas y
despueacutes se sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la UC UU y RC
la prueba Un ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua
potable en la sala de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a
140 F Encargoacute caacutemaras wd que permiten el monitoreo de 1-D al hincharse y
encogerse siendo esta la respuesta durante wd repetido Una dosis -por peso del
10 de cemento Tipo V el cual brinda mejor rendimiento general bajo realizado
con el ensayo de la resistencia al corte sin drenaje En donde se halloacute que Las
cenizas presentan malos resultados en comparacioacuten a todos los estabilizadores
21
con una simultaacutenea disminucioacuten de la c y bajo continuo w - d Aunque los valores
de fibras de cal suelo tratado tienden a aumentar con wd repetido Sin embargo
todos los suelos tratados superaron suelo natural despueacutes de 32 ciclos wd con el
tipo del 10 V suelo con cemento tratado mostrando un mejor rendimiento c-
De tal manera que la presencia de agua en este tipo de suelos los hace menos
resistencia a el ensayo de compresioacuten a fuerzas cortantes o de cizallamiento
debido a que alteran su estructura interna generando comportamientos
inadecuados para el cuerpo ingenieril debido a que se veraacuten afectadas las
construcciones realizadas sobre los mismos de esta manera seraacute necesario hacer
un tratamiento de estabilizacioacuten para proveer caracteriacutesticas mecaacutenicas
apropiadas de los suelos expansivos 11
11
Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos
y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
22
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos
por suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos
23
4 JUSTIFICACIOacuteN
Los suelos expansivos presentan algunas propiedades que pueden llegar a
generar variaciones en el comportamiento del suelo como los cambios
volumeacutetricos en presencia o ausencia de agua produciendo expansioacuten y
contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad portante y resistencia al corte
cuando se incrementa el contenido de agua
Al realizar cortes en laderas se presenta un cambio en la condicioacuten de resistencia
inicial del material lo que genera inestabilidad y un inminente riesgo el
comportamiento del suelo se analiza a traveacutes de la sensibilizacioacuten de paraacutemetros
que conduce a la mejora del factor de seguridad con respecto al disentildeo debido a
esto se llevoacute a cabo una comparacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes
los cuales brindaron soluciones oacuteptimas para el disentildeo de los mismos en suelos
expansivos
Es importante realizar el estudio de suelos expansivos y su comportamiento en
taludes ya que este tipo de suelos generan desplazamientos de materiales
Debido a que los suelos se hidratan y se hinchan estas condiciones se presentan
naturalmente tanto en eacutepocas de lluvia y en eacutepocas de sequia
Los riesgos que presenta en un proceso de estos son
Asentamientos en muros y cimientos
Deformacioacuten en los pavimentos y aceras
Movimientos de laderas
Roturas de cantildeerias y drenajes
Aparicioacuten de cavidades por disolucioacuten de sales
24
La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento de paraacutemetros
geomecaacutenicos en taludes ante variables de afectacioacuten para lo cual se realizan
aacutebacos que permitan identificar la manera en la que se ven afectados dichos
taludes y asiacute predecir su comportamiento por medio de programas de modelacioacuten
para el disentildeo de taludes con el fin de encontrar el factor de seguridad de disentildeo
y obtener las condiciones necesarias para la construccioacuten del mismo pensando en
el beneficio de la poblacioacuten
25
5 MARCO REFERENCIAL
El trabajo estaacute basado en la presentacioacuten de anaacutelisis sobre el comportamiento de
suelos expansivos en taludes con el fin de observar la inestabilidad del terreno el
cual se manifiesta mediante desplazamientos implicando ruina total o parcial de
sitios aledantildeos en donde se presenta este tipo de procesos de remocioacuten en masa
Este anaacutelisis conduce a un estudio referente a propiedades de los suelos que son
importantes las cuales generan cambios volumeacutetricos en presencia o ausencia de
agua produciendo expansioacuten y contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad
portante y resistencia al corte cuando se incrementa el contenido de agua
Es necesario tener presente conceptos como la composicioacuten y comportamiento
mecaacutenico de suelos expansivos que componen taludes asiacute mismo la afectacioacuten
que pueden generar estos suelos cuando son intervenidos por sismo y lluvia
Para el desarrollo de lo anterior se llevaraacute a cabo la presentacioacuten de los conceptos
tales como arcillas expansivas deslizamientos procesos de remocioacuten en masa
sensibilidad de paraacutemetros y anaacutelisis determiniacutestico
51 MARCO CONCEPTUAL
En el marco conceptual se establecen conceptos relacionados con la
investigacioacuten sobre la presencia de suelos expansivos como arcillas de baja alta
plasticidad y limos de alta plasticidad en taludes debido a que estaacute clase de
suelos tienen caracteriacutesticas de respuestas y comportamientos de expansioacuten y
contraccioacuten asociadas al humedecimiento y secado Por lo tanto la descripcioacuten
de estos comportamientos requiere el uso de un marco conceptual que incorpore
aspectos de anaacutelisis determiniacutesticos y meacutetodos de anaacutelisis con respecto al
comportamiento geomecaacutenico
26
Suelos Expansivos 511
Material susceptible que genera cambios de volumen los cuales se encuentran
directamente relacionados con cambios de humedad o variacioacuten con respecto al
contenido de agua La estructura del material retiene grandes cantidades de agua
lo que puede producir un aumento de volumen notorio12
El contenido de humedades un factor importante cuando se habla de la expansioacuten
de un suelo esto se presenta solo en los suelos expansivos como se observa en
la figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander cuando existen
variaciones climaacuteticas que influyen directamente en el comportamiento
generando grietas en el suelo13
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander
Fuente httpgooglaVWI0V
12
INGSPATRONE J amp PREFUMO JE La accioacuten de los suelos expansivos sobre las cimentaciones meacutetodos de
prevencioacuten y control Paacuteg 1-16[en
linea]lthttpwwwumeduuy_upload_descargaweb_descarga_204_AccindesuelosexpansivosAntildeo 2004gt[citado en 5 de
agosto del 2015]
13 Ibidp12
27
5111 Identificacioacuten de suelos expansivos
Los suelos expansivos se identifican de manera visual por varias caracteriacutesticas
tienen alta plasticidad si se observan en el terreno se encontraraacuten grietas
ocasionadas por la expansioacuten y contraccioacuten constante que sufre dicha superficie
esto se presenta cuando hay variacioacuten de humedad14
La identificacioacuten mineraloacutegica es una de las principales formas por las cuales se
ubican los suelos expansivos debido a que los meacutetodos maacutes recomendados son
difraccioacuten de rayos x anaacutelisis teacutermico diferencial anaacutelisis quiacutemico absorcioacuten de
tinte y la microscoacutepica electroacutenica Las cuales consisten en detectar la presencia
de minerales arcillosos que resultan expansivos15
5112 Ensayos de identificacioacuten de suelos expansivos
Es necesario ejecutar una valoracioacuten frente al comportamiento que puede llegar a
presentar un suelo con presencia de arcillas y limos cuando es sometido a
diferentes situaciones donde se ve alterada su composicioacuten de tal manera que
los diferentes ensayos permiten hacer un acercamiento de lo que sucede en la
realidad y especialmente en casos donde el suelo presenta humedad La tipologiacutea
y descripcioacuten de este tipo de ensayos se presenta en la tabla 1 Ensayos y
laboratorios en suelos descrita a continuacioacuten
14
INGSPATRONE Jamp PREFUMO JE Opcit1-16
15Ibid p1-16
28
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos
ENSAYOS Y LABORATORIOS
DESCRIPCIOgraveN
Hinchamiento Libre
Se humecta el suelo permitiendo una expansioacuten vertical
de una probeta por lo que el confinamiento lateral impide
la deformacioacuten lateral se realiza sobre muestras
inalteradas saturadas
Determinacioacuten de la presioacuten maacutexima del
hinchamiento
Impide la expansioacuten vertical al aplicar tensioacuten vertical
necesaria que compensa dicho hinchamiento se realiza
sobre muestras inalteradas Y saturadas
Ensayo de Lambe
Consiste en la preparacioacuten de una probeta de suelo que
se compacta en condiciones estandarizadas de humedad
inicial de tal manera que se impide una expansioacuten lateral
confinaacutendola en un anillo Una vez producida la
inundacioacuten de la ceacutelula se determina la tensioacuten maacutexima
de tensioacuten mediante un anillo dinamomeacutetrico con el
bastidor quienes se encargan de ejercer la reaccioacuten ante
la fuerza de expansioacuten que manifiesta la muestra al
hinchar El valor de esta tensioacuten maacutexima de hinchamiento
permite una clasificacioacuten cualitativa del material en
funcioacuten de ciertos grados de expansividad
Ensayo de volumen de sedimentacioacuten
Este criterio fue dado por Holtz y Gibbs el cual se utilizaba
para averiguar el potencial de hinchamiento de un suelo
consiste en depositar 10 cm3 de suelo seco que pase por
el tamiz Nordm40 en un cilindro graduado con 100 cm3 de
agua y se observa el aumento del volumen de la muestra
una vez sedimentada debido al hinchamiento dio
resultado se expresa en porcentaje de aumento de
volumen respecto al volumen inicial del suelo
Liacutemite Liacutequido
Es el contenido de humedad para el cual el suelo pasa
de un estado liacutequido a plaacutestico el ensayo que permite
determinar el liacutemite liquido consiste en colocar diferentes
muestras de suelo con humedad variable en un
recipiente o taza metaacutelica accionada por medio de una
manivela que se encarga de levantarla y dejarla caer
29
Fuente compilacioacuten propia tomado de Ensayos sobre suelos expansivos[en
liacutenea]lthttpwwwestudiosgeotecnicosinfoindexphpensayos-laboratorio-suelos-expansivosgt [citado en 5 de agosto del
2015]
Liacutemite liacutequido
repetidas veces Antes de inicia el ensayo se realiza una
ranura de diferentes dimensiones con una espaacutetula
contando el nuacutemero de golpes con el fin de que la ranura
quede frac12 pulgada cerrada Dichos datos se grafican y
cuando la curva obtenida corta la liacutenea correspondiente a
los 25 golpes se considera este valor como el limite
liquido del suelo
Liacutemite Plaacutestico
Es el contenido de humedad para el cual se cambia del
estado plaacutestico al semisoacutelido de tal manera que en el
estado plaacutestico el suelo es semi moldeable mientras que
en el semisoacutelido se agrieta amoldaacutendose El limite plaacutestico
queda definido cuando el suelo contiene justo la humedad
necesaria para que al amasar manualmente bastoncitos
de 03 cm estos no se agrieten y se rompan
Liacutemite de Retraccioacuten
Este liacutemite queda determinado por la miacutenima cantidad de
agua necesaria para llenar los poros de una muestra de
suelo seco a este liacutemite corresponde el menor volumen de
la masa del suelo determinado por la frontera entre el
estado soacutelido y semisoacutelido En las arcillas este liacutemite
alcanza el 5 y el 10 lo que indica que la capacidad
portante se incrementa a medida que disminuye el
porcentaje de humedad
Ensayo de Triaxial
A traveacutes de esta prueba se identifican las propiedades
de tensioacuten- deformacioacuten del suelo en este ensayo una
muestra de suelo ciliacutendrica normalmente con una
relacioacuten de altura-diaacutemetro se somete a dos
incrementos de tensioacuten axial y radial dicha muestra se
encuentra protegida con una membrana y las tensiones
radiales son impuestas por una presioacuten de confinamiento
en todas sus caras Los esfuerzos axiales son impuestos
por un vaacutestago que penetra la caacutemara de confinamiento
hasta que se produce la rotura
30
De esta manera se hace necesario identificar los tipos de deslizamientos que se
presentan en taludes los cuales generan un proceso de remocioacuten en masa
afectando de manera directa la poblacioacuten a niveles sociales econoacutemicos entre
otros identificados en la tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Fuente Compilacioacuten propia del libro de Suarez Jaime Diacuteaz Deslizamientos y estabilidad de taludes
31
ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL
BLANDO
ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES
TIPO IMAGEN
MATERIAL HOMOGENEO
MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
Seguacuten la composicioacuten y estructura del talud se produce un tipo deslizamiento esto
puede observarse en la tabla 3Efectos de la estructura en la formacioacuten de
deslizamientos de rotacioacuten donde se describe el efecto del deslizamiento
causado seguacuten la estructura del talud
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten
32
Por lo tanto Los paraacutemetros geomecaacutenicos son elementos necesarios que ayudan
a la comprensioacuten del anaacutelisis con respecto al comportamiento del suelo en el
presente trabajo se hace el estudio de los paraacutemetros descritos en la tabla 4
Paraacutemetros geomecaacutenicos
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Conociendo los paraacutemetros geomecaacutenicos que componen cada uno de los suelos
se identifica el concepto de remocioacuten en masa el cual es el desplazamiento de
grandes voluacutemenes de material superficial descrito de manera detallada en la
tabla 5Procesos de remocioacuten en masa
PARAacuteMETRO CONCEPTO ECUACIONES DESCRIPCIOacuteN
DENSIDAD
Relacioacuten entre la unidad de peso y la unidad de
voluacutemen de la fase soacutelida del suelo siendo maacutes o
menos constante ya que estaacute determinado por la
composicioacuten quiacutemica y mineraloacutegica de la fase
soacutelida
ρ=mV
ρ= densidad
m= masa
V= volumen
PESO ESPEacuteCIFICO
Se definen peso especiacutefico relativo a la relacioacuten entre
el peso especiacutefico de una sustancia y el peso
especiacutefico del agua destilada a 4 grados centigrados
sujeta a una atmoacutesfera de presioacuten
Pc=pV
Pc= Peso especigravefico
P=Peso
V= volumen
CARACTERISTICAS
ESTRUCTURALES
Se refiere a la orientacioacuten de las discontinuidades
tamantildeo y forma de rocas espaciado grado de
fracturacioacuten del macizo rocoso aacutengulo de inclinacioacuten
No aplica
EFECTO DEL AGUA
La estabilidad del talud y resistencia al cizallamiento
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos
33
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa
Fuente Ajustado de httpjulsgeoambientaljimdocomportafolioremocioacuten en masa
Es asiacute como el subsuelo o sustrato es la capa de suelo debajo de la capa
superficial de la tierra El cual incluye sustancias como arcilla yo arena que soacutelo
han sido parcialmente desglosadas por aire luz solar agua viento etc para
producir suelo verdadero Debajo del subsuelo estaacute el sustrato que puede
ser rocoso de sedimentos o depoacutesitos eoacutelicos en gran medida afectados por
factores formadores de suelo activo en el subsuelo El subsuelo contiene
LITOLOacuteGICOS ESTRUCTURALES TOPOGRAacuteFICOS ANTROacutePICOS TECTOacuteNICOS CLIMAacuteTICOS
El material superficial
se encuentra suelto y
puede ser removido
con facilidad en una
ladera por efecto de la
presioacuten de una
cantidad de agua
necesariamente si
bajo este material
superficial existe roca
consolidada e
impermeable
En el relieve se
presentan grietas o
diaclasas juntas que
por efecto de la
meteorizacioacuten fiacutesica
quiacutemica o bioloacutegica
provocan el
desmenuzamiento o
descomposicioacuten de
las rocas
Existen laderas de
montantildeas de colinas
con pendiente
abruptas o de terrenos
muy inclinados
En aacutereas con
pendientes
fuertemente taladas
(deforestadas) por el
hombre el material
superficial queda
expuesto a la
intemperie
Las ondas siacutesmicas
provocan el
desplazamientode
materiales
superficiales o de
unidades maacutes
importantes del relieve
como puede ser un
aacuterea accidentada o
no
Caen fuertes
precipitaciones o
caen de manera
continua provocan
deslizamientos sea
por aumento de
sobrecarga o por
cambios extremos en
las temperaturas las
cuales quiebran los
mantos rocosos
Es el desplazamiento de grandes voluacutemenes de material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por accioacuten directa de la fuerza de
gravedad hasta volver a encontrar un nuevo punto de reposo Los movimientos de masa se presentan sobre todo en la eacutepoca lluviosa o
durante una actividad siacutesmica
PROCESOS DE REMOCIOacuteN EN MASA
Se produce porque la fuerza actuante (sobrecarga) que es originada normalmente por el agua ejerce una presioacuten hacia abajo que rompe el
equilibrio existente hasta ese momento la gravedad proporciona la energiacutea adicional requerida para que se produzca el movimiento
descendente En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve se origina fundamentalmente por los movimientos siacutesmicos
FACTORES
CONCEPTO
ORIGEN
MOVIMIENTOS COMUNES
Formacioacuten de una superficiede ruptura recta o
curvada a partir de la cual se desplaza toda la
porcioacuten de terreno separada del conjunto con
la misma velocidad en todas sus partes
conservando su estructura y forma original
DESLIZAMIENTOS REPTACIOacuteN
Movimiento lento del suelo yo de detritos
rocosos cuesta abajo por lo general no
perceptible que afecta la parte superficial de
la ladera la capa de suelo y en algunos casos
la parte superior de la roca alterada Causas
lluvias o de fusioacuten de nieves que saturan los
suelos en ambientes huacutemedos y sobre
laderas con pendientes moderadas
DERRUMBAMIENTO
Incluye movimientos y caida directa de
material rocoso de variable dimensiones
Son causados por La fuerza gravitacional de
la tierra Grado e inestabilidad de fracturas de
la roca Efecto de meteorizacioacuten Efectos de
congelamiento del agua en las fracturas
34
partiacuteculas parcialmente degradadas por lo general de un tono maacutes claro de color
marroacuten o amarillo y contiene las raiacuteces profundas de las plantas grandes como los
aacuterboles
Existen diferentes meacutetodos de exploracioacuten para tomar muestras alteradas e
inalteradas
Una muestra alterada es aquella que estaacute constituida por material
disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales
para conservar las caracteriacutesticas de estructura y humedad in situ no
obstante en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua
original del suelo para lo cual las muestras se envasan en recipientes
impermeables y se transportan de forma que esteacuten protegidas de los
agentes atmosfeacutericos Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de
suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice y preparar especiacutemenes
compactados para someterlos a pruebas mecaacutenicas (SAHOP 1974)
Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura no
sufre de alteraciones quiacutemicas ni de humedad es decir conserva las
propiedades que teniacutea in situ Estas muestras se utilizan en el laboratorio
para identificar el tipo de suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice
y mecaacutenicas16
Las muestras inalteradas se obtendraacuten de suelos finos que pueden labrarse sin
que se disgreguen La obtencioacuten puede efectuarse en el piso o en las paredes de
una excavacioacuten como en un pozo a cielo abierto en la superficie del terreno
natural o en la de una terraceriacutea La excavacioacuten para obtener una muestra deberaacute
16Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015]
35
ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extraccioacuten de
la misma Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo
en su estado natural por lo que su obtencioacuten empaque y transporte requieren
cuidados especiales a fin de no alterarlas Las muestras deben ser identificadas
claramente Las superficies que esteacuten expuestas deben ser protegidas con
material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que
amortiguumlen las vibraciones que pudiera sufrir 17
5113 Problemas de los suelos expansivos en taludes y laderas ante
solicitaciones
Los terrenos con pendiente pronunciadas son aquellos que tienen susceptibilidad
ante fenoacutemenos como lo son los deslizamientos amplificacioacuten siacutesmica entre
otros18
Un sismo en materiales expansivos brindaraacute una respuesta dinaacutemica generada
por los suelos esto dependeraacute de las condiciones del esfuerzo de confinamiento y
del nivel de deformacioacuten que presenten los materiales de esta manera el suelo
no disipara energiacutea por poco amortiguamiento y la degradacioacuten a traveacutes de los
ciclos seraacute pequentildea lo cual indica una respuesta elaacutestica lineal Es asiacute como a
grandes deformaciones el suelo disipa mayor energiacutea por alto amortiguamiento y
la presioacuten de poro iguala el esfuerzo efectivo de confinamiento producieacutendose un
deterioro del suelo y por consiguiente la peacuterdida de resistencia por lo tanto la
respuesta es no lineal donde la rigidez decrece con el nuacutemero de ciclos19
17
Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015] 18
Criterio para calificar los suelos con fines urbanos [en liacutenea]lt httpesslidesharenetcarlosjcamachopresentacin-
de-la-materia-3742687gt [citado en 3 de octubre del 2009] 19
Comportamiento Dinaacutemico de las Arcillas [en liacutenea]
lthttpwwwptolomeounammx8080jspuibitstream132248521006014A4pdfgt[citado en 2 de enero del 2009]
36
Otro de las solicitaciones que modifican el estado de un talud se refiere a la
cantidad de agua que se infiltre por el suelo debido a que los periodos climaacuteticos
del antildeo se modifican y dependiendo de la cantidad de precipitacioacuten aumentaraacute o
disminuiraacute el nivel freaacutetico es asiacute como los suelos expansivos sufriraacuten aumento o
disminucioacuten de volumen seguacuten la cantidad de agua sea mayor o menor lo que
causara el hinchamiento en eacutepocas de lluvia y retracciones en eacutepoca seca
generando grietas y posterior rotura del suelo
Por consiguiente la gravedad podraacute causar deslizamientos con este tipo de suelos
De esta manera se presentaran perdida de asentamientos en muros y cimientos
deformacioacuten en pavimentos en las aceras movimientos de laderas y aparicioacuten de
cavidades por disolucioacuten de sales
En el caso de las cargas soportadas por suelos expansivos como lo son
pequentildeas zapatas soportando cargas livianas son faacutecilmente levantadas
mientras que cuando las zapatas son de gran tamantildeo y soportan cargas pesadas
no ocurre este proceso20
5114 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Dentro de los meacutetodos de exploracioacuten de suelos existen dos clasificaciones
meacutetodos directos y meacutetodos indirectos En la tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de
suelos se muestra una clasificacioacuten general de los meacutetodos de exploracioacuten maacutes
usuales y una breve descripcioacuten21
20
Villalaz Carlos Crespo Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta edicioacuten MexicoLimusa2004ISBN 968-18-6489-1
21 Tesis Meacutetodos de exploracioacuten de suelos [En liacutenea] lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en
23 de Junio de 2015]
37
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Meacutetodo Descripcioacuten
Meacutetodos
directos
Pozos a cielo
abierto
Es el meacutetodo maacutes satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo
Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse
en eacutel examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer
muestras alteradas e inalteradas Su aplicacioacuten eficiente resulta sobre suelos
cohesivos
Pala
posteadora
Es un meacutetodo manual de exploracioacuten somera que consiste en hincar un barreno y
obtener muestras del tipo alterado pero representativas en cuanto al contenido de
agua Se utiliza en lugares donde otros equipos mecaacutenicos no pueden ser usados
Tubo Shelby Consiste en un tubo afilado de 75 a 10 cm de diaacutemetro que se hincan a presioacuten
para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o
semiduros
Sondeo de
penetracioacuten
estaacutendar
Con esta teacutecnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la
resistencia al corte con el nuacutemero de golpes con el que se hinca el penetroacutemetro
una distancia de 30 cm El equipo consta de un penetroacutemetro el cual se hinca a
golpes mediante un martinete de 635 kg que cae desde 76 cm de alto
Muestreador
Denison
Consiste en dos tubos conceacutentricos que se hinca en el suelo para obtener
muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyeccioacuten de fluido de
perforacioacuten que se hace circular entre ambos tubos
Meacutetodos
indirectos
Meacutetodo
siacutesmico
Consiste en provocar una explosioacuten en un punto determinado del aacuterea a explorar
usando una pequentildea carga de explosivo usualmente nitro amonio Por la zona a
explorar se situacutean geoacutefonos cada 15 oacute 30 cm Este procedimiento se funda en la
velocidad de propagacioacuten de las ondas vibratorias de tipo siacutesmico a traveacutes de
diferentes medios materiales
Meacutetodo de
resistividad
eleacutectrica
Consiste en inducir una corriente eleacutectrica a traveacutes de los suelos de tal forma que
se presente una mayor o menor resistividad eleacutectrica para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo Mayores resistividades corresponden a rocas
duras siguiendo con rocas suaves y asiacute sucesivamente hasta valores menores
correspondientes a suelos suaves saturados
Meacutetodos
magneacuteticos y
gravimeacutetricos
Para el primero se utiliza un magnetoacutemetro que mide la componente vertical del
campo magneacutetico terrestre en la zona considerada en varias estaciones
proacuteximas entre siacute En los meacutetodos gravimeacutetricos se mide a aceleracioacuten del
campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar La informacioacuten
que proveen estos meacutetodos es algo erraacutetica y difiacutecil de interpretar
Fuente Ajustado de httptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdf
38
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 512
Se describen los diferentes meacutetodos de anaacutelisis en taludes con la finalidad de
observar la diferencia entre los mismos e identificar cuaacutel de ellos cumple con la
desarrollo del trabajo en el anaacutelisis del valor de factor de seguridad resumidos en
la graacutefica 2 Meacutetodos de caacutelculo
5121 Meacutetodos de equilibrio liacutemite
Se basan en leyes de la estaacutetica determinando el estado de equilibrio de un
terreno inestable No tienen en cuenta las deformaciones del terreno Suponen
que la resistencia al corte se moviliza total y concordantemente a lo largo de la
superficie de corte Se pueden clasificar en dos grupos
bull Meacutetodos exactos
bull Meacutetodos no exactos
5122 Meacutetodos exactos
El uso de las leyes de la estaacutetica da una solucioacuten exacta al problema Esto soacutelo es
posible en taludes de geometriacutea sencilla como por ejemplo la rotura planar y la
rotura por cuntildeas
5123 Meacutetodos no exactos
En la mayoriacutea de los casos la geometriacutea de la superficie de rotura no permite
obtener una solucioacuten exacta del problema solamente mediante la aplicacioacuten de las
leyes de la estaacutetica El problema es hiperestaacutetico y ha de hacerse alguna hipoacutetesis
previa que permita su resolucioacuten Se pueden tomar los meacutetodos que consideran el
equilibrio global de masa deslizante hoy en desuso y los meacutetodos de las dovelas
o rebanadas que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas
verticales
39
Los meacutetodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en
Meacutetodos aproximados que no cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica
Se pueden nombrar los meacutetodos de Fellenius Janbu y Bishop simplificado
Meacutetodos completos que cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica Los
conocidos son los meacutetodos de Morgenstern-Price Spencer y Bishop
riguroso
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo
Fuente Propia
A traveacutes de los meacutetodos de caacutelculo se desarrollan los meacutetodos de anaacutelisis para
estabilidad de taludes estos son de gran importancia para el desarrollo a nivel
numeacuterico con el fin de identificar que sucede en un talud al cambiar y modificar
ciertos paraacutemetros geomecaacutenicos mostrados dichos meacutetodos en la tabla 7
Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
40
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
Meacutetodo de
tablas o
nuacutemero de
estabilidad
Para los taludes simples homogeacuteneos se han desarrollado tablas que
permiten un caacutelculo raacutepido del factor de seguridad Existe una gran cantidad
de tablas desarrolladas por diferentes autores La primera de eacutestas fue
desarrollada por Taylor en 1966 Desde entonces han sido presentadas
varias tablas sucesivamente por Bishop y Morgenstern (1960) Hunter y
Schuster (1968) Janbuacute (1968) Morgenstern (1963) Spencer (1967)
Terzaghi y Peck (1967) y otros
Meacutetodo del
talud infinito
El meacutetodo del talud infinito es un sistema muy raacutepido y sencillo para
determinar el factor de seguridad de un talud suponiendo un talud largo
con una capa delgada de suelo en el cual cualquier tamantildeo de columna de
suelo es representativo de todo el talud Las suposiciones del meacutetodo del
talud infinito son las siguientes suelo isotroacutepico y homogeacuteneo talud
infinitamente largo y superficie de falla paralela al talud El principal uso del
meacutetodo del talud infinito es la elaboracioacuten de planos de amenaza a los
deslizamientos mediante el uso de SIGS
Meacutetodo del
bloque
deslizante
El anaacutelisis de bloque puede utilizarse cuando existe a una determinada
profundidad una superficie de debilidad relativamente recta y delgada La
masa que se mueve puede dividirse en dos o maacutes bloques y el equilibrio de
cada bloque se considera independientemente utilizando las fuerzas entre
bloques No considera la deformacioacuten de los bloques y es uacutetil cuando existe
un manto deacutebil o cuando aparece un manto muy duro sobre el cual se
puede presentar el deslizamiento
Meacutetodo
Ordinario o
de Fellenius
Conocido tambieacuten como meacutetodo Sueco meacutetodo de las Dovelas o meacutetodo
USBR Este meacutetodo asume superficies de falla circulares divide el aacuterea
de falla en tajadas verticales obtiene las fuerzas actuantes y resultantes
para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de
Seguridad
41
Meacutetodo de
Bishop
Bishop (1955) presentoacute un meacutetodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta
el efecto de las fuerzas entre las Dovelas El meacutetodo simplificado de Bishop
es uno de los meacutetodos maacutes utilizados actualmente para el caacutelculo de
factores de seguridad de los taludes Aunque el meacutetodo soacutelo satisface el
equilibrio de momentos se considera que los resultados son muy precisos
en comparacioacuten con el meacutetodo ordinario
Meacutetodo de
Janbuacute
El meacutetodo simplificado de Janbuacute se basa en la suposicioacuten de que las
fuerzas entre dovelas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de
cortante Janbuacute considera que las superficies de falla no necesariamente
son circulares y establece un factor de correccioacuten fo El factor fo depende
de la curvatura de la superficie de falla Estos factores de correccioacuten son
solamente aproximados y se basan en anaacutelisis de 30 a 40 casos
Meacutetodo de
Spencer
El meacutetodo de Spencer es un meacutetodo que satisface totalmente el equilibrio
tanto de momentos como de esfuerzos El procedimiento de Spencer
(1967) se basa en la suposicioacuten de que las fuerzas entre dovelas son
paralelas las unas con las otras o sea que tienen el mismo aacutengulo de
inclinacioacuten
Meacutetodo de
Morgenstern
y Price
El meacutetodo de Morgenstern y Price (1965) asume que existe una funcioacuten que
relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas Esta
funcioacuten puede considerarse constante como en el caso del meacutetodo de
Spencer o puede considerarse otro tipo de funcioacuten La posibilidad de
suponer una determinada funcioacuten para determinar los valores de las fuerzas
entre dovelas lo hace un meacutetodo maacutes riguroso que el de Spencer22
Adaptado de Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil
Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
22
Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-
Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
42
52 MARCO LEGAL
Para garantizar la viabilidad normativa del presente trabajo este se encuentra
acorde a los requisitos legales y normativos de la actualidad descritos en la tabla
8 Normatividad
Tabla 8 Normatividad
NORMA OBJETIVO
CE020 Estabilizacioacuten de
Suelos y de Taludes
Establecer las consideraciones teacutecnicas miacutenimas para el mejoramiento requerido de la resistencia de suelos y de la estabilidad de taludes
NSR 2010 Titulo H
Establecer criterios baacutesicos para realizar estudios geoteacutecnicos de edificaciones basados en la investigacioacuten del subsuelo y las caracteriacutesticas arquitectoacutenicas y estructurales de las edificaciones con el fin de proveer las recomendaciones geoteacutecnicas de disentildeo y construccioacuten de excavaciones y rellenos estructuras de contencioacuten cimentaciones rehabilitacioacuten o reforzamiento de edificaciones existentes y la definicioacuten de espectros de disentildeo sismo resistente para soportar los efectos por sismos y por otras amenazas geoteacutecnicas desfavorables
NSR 2010 Titulo A2
Establecer los valores de coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva para el disentildeo la cual se encuentra impliacutecita en la tabla A22 del cual se toma el valor 030 en una escala de 005 hasta 050 desde amenaza siacutesmica baja hasta amenaza siacutesmica alta lo que indica que para efecto de anaacutelisis y disentildeo de taludes se debe emplear la aceleracioacuten maacutexima del terreno en donde el coeficiente siacutesmico de disentildeo para anaacutelisis seudo estaacutetico de taludes KST tiene el valor inferior tomando asiacute el valor de 080 de suelos enrocados y macizos fracturados lo que implica ejecutar una operacioacuten matemaacutetica simple con el fin de obtener el valor de Aa adecuado para el disentildeo dinaacutemico del talud el cual es 025
Fuente Propia
43
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO
En este capiacutetulo se evidencia el enfoque que se expuso en el presente trabajo
dejando claras las caracteriacutesticas principales para el desarrollo de modelos que
presentan el factor de seguridad oacuteptimo en suelos expansivos
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN
El enfoque que se empleo es de caraacutecter cuantitativo y cualitativo ya que se tomoacute
como base de trabajo los estudios realizados en diferentes zonas compuestas por
suelos expansivos
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN
Cuenta con una investigacioacuten tipo analiacutetica ya que se desarrolloacute una matriz de
comparacioacuten entre paraacutemetros mecaacutenicos y geoteacutecnicos comunes en los suelos
expansivos en donde se buscoacute valores miacutenimos de factores de seguridad en
relacioacuten a paraacutemetros de resistencia condiciones geomeacutetricas y factores
naturales
63 DISENtildeO MUESTRAL
Para el trabajo se tiene en cuenta un talud con caracteriacutesticas geoteacutecnicas y
geomeacutetricas establecidas en donde ejecutoacute una comparacioacuten del comportamiento
del talud con respecto a valores de factor de seguridad para lo cual se realiza un
anaacutelisis de la poblacioacuten universo muestra individuo y variables descritas a
continuacioacuten
Poblacioacuten universo 631
La poblacioacuten universo de la investigacioacuten se basa en el anaacutelisis de taludes ya que
es el elemento maacutes grande del cual se tomoacute la muestra con el fin de ejecutar un
44
anaacutelisis de paraacutemetros geomecaacutenicos sobre el comportamiento de la presencia
de suelos expansivos frente a las variables correspondientes
Muestra 632
Consiste en 264 modelos ejecutados en SLIDEreg de donde se tienen en cuenta
valores de Ru= 00 025 y 05 con alturas de 10 m y 20 m aacutengulos de inclinacioacuten
de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm asiacute mismo se realizan 120 modelos adicionales en donde la
altura es de 10 m variando el valor de Ru=00 01 025 05 y aacutengulos de
inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm en donde se tiene en cuenta los paraacutemetros
geomecaacutenicos y geomeacutetricos para diferentes tipos de suelos expansivos
correspondientes
CH Arcilla de alta plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con alta
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
mayor de 50 tacto suave23
CL Arcilla de baja plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con baja
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
menor de 50 tacto suave24
MH Limo de alta plasticidad suelo de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse ante su esfuerzo mecaacutenico limite liquido menor de 50
tacto aacutespero25
23
El sistema unificado de clasificacioacuten de los suelos [en liacutenea]lt
ftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt [citado en 3 de noviembre del
2015]
24 Ibiacuted Cuadro 21
25 Ibiacuted Cuadro 21
45
Individuo 633
Taludes con presencia de suelos expansivos como arcilla de baja alta plasticidad
y limos de alta plasticidad en general
Variables 634
Caracteriacutesticas del suelo del talud humedad del suelo que conforma el talud
inclinacioacuten de talud aacutengulo de friccioacuten del suelo cohesioacuten nivel freaacutetico factor
de seguridad Tabla 9 Variables
Tabla 9 Variables
Fuente Propia
Se establece que para la medicioacuten de variables en el problema de investigacioacuten
del proyecto que se desarrolloacute el cual estaacute basado en el ANAacuteLISIS DE
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
EXPANSIVOS Los meacutetodos que se desarrollan en la estabilizacioacuten de taludes
son
VARIABLES
CUALITATIVAS Tipo de suelo CH CL y MH
CUANTITATIVAS
Humedad del suelo que conforma el talud ndash Nivel Freaacutetico
Inclinacioacuten de talud
Altura de talud
Angulo de friccioacuten
Cohesioacuten
Factor de seguridad
Sismo
46
Meacutetodo de Bishop simplicado a pesar de solo satisface el equilibrio de
momentos y no cumple con la totalidad de las ecuaciones de la estaacutetica
presenta exactitud frente a los resultados que se obtienen en comparacioacuten
con el meacutetodo ordinario de igual manera utiliza las dovelas teniendo en
cuenta las fuerzas entre las mismas y es uno de los maacutes utilizados para
calcular el factor de seguridad de los taludes la principal restriccioacuten del
meacutetodo es que solo considera las superficies circulares (Jaime
Suarez2002)
De igual manera se ejecuta el respectivo anaacutelisis por medio de Software Slidereg
en el cual se tienen en cuenta para los modelos los paraacutemetros descritos
anteriormente
Slidereg ya que es un programa con anaacutelisis de la filtracioacuten incorporando
elementos finitos y funciones que define directamente el usuario de esta
manera el estudio de sensibilidad permite determinar el efecto de las
variables en el factor de seguridad de un talud
64 FASES DEL PROYECTO
A traveacutes de las fases es posible identificar el orden cronoloacutegico en el que se
desarrolla el presente documento para cumplir el objetivo general que es analizar
el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos por
suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo que se
describen a continuacioacuten
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas
47
Actividad 1 Consultar en diferentes fuentes de informacioacuten definiciones de
los paraacutemetros geomecaacutenicos de suelos expansivos que seraacuten estudiados
Actividad 2 Investigacioacuten del subsuelo y conocimiento determinado de
suelos expansivos referenciando los meacutetodos de exploracioacuten
Actividad 3Identificacioacuten problemas que ocasionan estos materiales con
presencia taludes ante solicitaciones de gravedad infiltracioacuten sismo
escorrentiacutea y otros
Actividad 4 Recopilacioacuten de informacioacuten secundaria referente al
comportamiento de estos materiales
Actividad 5 Documentacioacuten de antecedentes referentes a deslizamientos y
amenazas que presente un talud compuesto por suelos expansivos
identificando coacutemo se estudian los deslizamientos y los problemas
geoteacutecnicos que se presentan en estos materiales
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 642
Actividad 1 Definicioacuten de los paraacutemetros a estudiar para la modelacioacuten en
taludes
Actividad 2 Elaboracioacuten de matriz para la definicioacuten del modelo
geoteacutecnico el desarrollo y respuesta del mismo
48
Actividad 3Realizar la instruccioacuten en programas de modelacioacuten para
estabilidad de taludes
Actividad 4 Modelacioacuten geoteacutecnica mediantes equilibrio liacutemite para las
diferentes condiciones de escenarios descritos en la matriz
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 643
Actividad 1Generacioacuten de graacuteficas de resultados de las modelaciones
para la revisioacuten del factor de seguridad
Actividad 2Anaacutelisis del comportamiento de los paraacutemetros geoteacutecnicos
definidos teniendo como base la modelacioacuten realizada en diferentes
escenarios
Actividad 3 Generacioacuten de graacuteficas finales de respuesta del
comportamiento de los paraacutemetros geomecaacutenicos
Actividad 4 Anaacutelisis de resultados respecto a la generacioacuten de graacuteficas
Actividad 6 Generacioacuten y redaccioacuten del documento final
Actividad 7 Generacioacuten de Articulo
49
7 DESARROLLO METODOLOacuteGICO
Por medio de la descripcioacuten detallada de conceptos se obtiene la identificacioacuten de
suelos expansivos a estudiar que como se menciona en el documento son
materiales compuestos por arcillas de alta y baja plasticidad y limos de alta
plasticidad en donde se identifica las caracteriacutesticas mecaacutenicas geoteacutecnicas
fiacutesicas que son claves al momento del anaacutelisis de cada uno de los modelos a
ejecutar en el software Slidereg con el fin de conocer el comportamiento de los
suelos en mencioacuten cuando se tienen variables de sismo nivel freaacutetico y
geometriacutea correspondiente a diferentes aacutengulos de inclinacioacuten 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
y una altura de 10 m 20 m y variaciones con respecto al paraacutemetro Ru de 00
01 025 04 05 en condiciones estaacutetica y dinaacutemica
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS
Se realiza una descripcioacuten detallada acerca de los suelos expansivos que
conforman un talud de los cuales se analiza el factor de seguridad como lo son
arcillas de baja y alta plasticidad y limos de alta plasticidad donde se identifican
las caracteriacutesticas que componen cada uno de estos suelos y la diferencia de los
mismos para su respectiva identificacioacuten descritos en la tabla 10 Descripcioacuten de
suelos expansivos
50
CH CL ML
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGAacuteNICO DE BAJA PLASTICIDAD
Arcillas inorgaacutenicas de alta plasticidad arcillas
grasas
Arcillas inorgaacutenicas de plasticidad baja a mediana
arcillas gravosas arcillas arenosas arcillas limosas
arcillas magras
Limos inorgaacutenicos y arenas muy finas harina de
roca arenas finas limosas o arcillosas o limos
arcillosos de ligera plasticidad
Suelo de grano fino
Diaacutemetro de las partiacuteculas comprendido entre
005 mm y 0005 mm
Color variacutea desde gris claro a muy oscuro
No suelen tener propiedades colidales
A partir de 0002 mm y a medida que
aumenta el tamantildeo de las partiacuteculas se
va haciendo cada vez mayor la
proporcioacuten de minerales no arcillosos
Partiacuteculas forma redondeada
Tacto aacutespero
Mayor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de masa
Se secan con relativa rapidez y no se
pegan a los dedos
Los terrones secos tienen una cohesioacuten
apreciable pero se pueden reducir a
Pueden ser colapsables
Fuerte olor a tierra Ligero olor a tierra Olor no caracteriacutestico a menudo ninguno
Consistencia alta Menor consistencia que las CH Consistencia baja
Estructura blanda Estructura menos blanda que las CH Estructura blanda
Alta capacidad de deformarse sin agrietarse ante
un esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten
al retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse ante un
esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten al
retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse
ante un esfuerzo mecaacutenico conservando la
deformacioacuten al retirarse la carga
Plaacutesticos Plaacutesticos Ligeramente plaacutesticos
Liacutemite liquido mayor de 50 arcillas de alta
contraccioacuten-dilatacioacuten Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos
Los terrones secos se pueden partir
pero no reducir a polvo con los dedos
No son colapsables
Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosos
Partiacuteculas forma laminar
Tacto suave
Menor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de
superficie
GRAacuteFICO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS DE GRANO FINO
SUELOS EXPANSIVOS
Son suelos que al ser humedecidos sufren una expansioacuten que pone en peligro a las estructuras cimentadas sobre ellos
Su comportamieno se caracteriza principalmente por
- La contraccioacuten debido al secado
- La expansioacuten al humedeserce
- Desarrollo de presiones de expansioacuten cuando estaacute confinado y no puede expandirse
Suelen tener propiedades colidales
Suelo de grano fino suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio
hidratados procedentes de la descomposicioacuten de rocas que contienen feldespato como el granito
Diaacutemetro menor de 0005 mm
Presenta diversas coloraciones seguacuten las impurezas que contiene desde el rojo anaranjado hasta el
blanco cuando es pura
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos
Fuente Adaptado de
[En liacutenea] ltftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt[citado en 15 de
octubre del 2015]
[En liacutenea] lt httpesslidesharenetfrkfirtinsuelos-expansivosgt[citado en 15 de octubre del 2015]
[En liacutenea] lthttpwwwfceiaunreduargeologiaygeotecniaDiferenciasgt[citado en 15 de octubre del 2015
51
UNIDAD SUELO-1 SUELO-2 SUELO-3
71 63 43
32 37 24
39 26 19
31 26 23
KNm3 132 139 146
KNm3 141 146 151
24 22 20
CH MH CL
CONTENIDO INICIAL DEL AGUA
CLASIFICACIOacuteN DEL SUELO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
LIMITE DE CONSISTENCIA
COMPACTACIOacuteN
OPTIMO CONTENIDO DE AGUA
DENSIDAD LIBRE MAacuteXIMA
PROPIEDADES FISICAS INALTERADAS DE LA MUESTRA DE SUELO
DENSIDAD LIBRE INICIAL
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLAacuteSTICO
INDICE PLAacuteSTICO
PROPIEDADES
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH
Es necesario conocer las propiedades fiacutesicas de los suelos descrita en la tabla
11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos ya que de estas depende el
comportamiento mecaacutenico que lo mismos presentan ante factores intriacutensecos y
extriacutensecos como los son lluvia y sismo siendo estos importantes al momento de
observar el proceso de remocioacuten en masa de un talud cuando se afecta por estos
factores
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A traveacutes del estudio realizado en el libro expansive Soils se obtienen este tipo de
propiedades fiacutesicas de los materiales que en el presente proyecto se desarrollan
descritos en la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos en el
estudio ejecutado se describe sobre los avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento en suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
52
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar los inconvenientes que la presencia de estos
puedan generar en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada
por la expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten o
dilatacioacuten que presentan debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel
freaacutetico
Por lo tanto el limite liacutequido que presentan los tipos de suelos analizados es para
un CH de 71 MH de 63 y CL de 43 lo que indica que este es el porcentaje
en el que cada uno de estos suelos pasa de un estado liacutequido a uno plaacutestico Es
asiacute como se observa que existe maacutes probabilidad de que ocurra este fenoacutemeno
con la arcilla de alta plasticidad
Con respecto al liacutemite plaacutestico se observan valores obtenidos para un CH 32
MH 37 y 24 que es cuando el suelo pasa de un estado semisoacutelido a uno
plaacutestico siendo mayor para el limo de alta plasticidad
De tal manera que se observa el Iacutendice de plasticidad bajo como por ejemplo del
19 para una arcilla de baja plasticidad la cual significa que un pequentildeo
incremento en el con tenido de humedad del suelo lo transforma de semisoacutelido a
la condicioacuten de liacutequido es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad
Por el contrario un iacutendice de plasticidad alto como por ejemplo del 39
perteneciente a la arcilla de alta plasticidad indica que para que el suelo pase del
estado semisoacutelido al liacutequido se le debe agregar gran cantidad de agua26
Tambieacuten se obtiene el contenido oacuteptimo de agua el cual permite la obtencioacuten de la
26
Liacutemites de Atterberg Iacutendice de Plasticidad Fluidez Retraccioacuten [en liacutenea]lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
53
densidad maacutexima mediante la compactacioacuten que seguacuten tabla 11 Es 31 para un
CH 26 para el MH y 23 para el CL Siendo este valor inversamente
proporcional a la densidad libre maacutexima debido a que entre mayor es el oacuteptimo
contenido de agua menor es la densidad maacutexima
De esta manera se obtienen las propiedades fiacutesicas de los suelos estudiados
haciendo la respectiva clasificacioacuten de los materiales correspondientes a suelos
expansivos
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS
Con el fin de lograr la identificacioacuten de cada uno de los materiales se seleccionan
los paraacutemetros geomecaacutenicos siendo los mismos importantes pues de estos
depende el comportamiento y el valor de factor de seguridad del talud cuando se
relacionan con paraacutemetros geomeacutetricos y de Ru ante factores estaacuteticos y
dinaacutemicos que se describen en los siguientes numerales a partir del 731
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 731
La seleccioacuten de paraacutemetros a raiacutez de la investigacioacuten realizada se consolidoacute
teniendo en cuenta los siguientes datos bibliograacuteficos
En el libro Expansive Soil se observa la descripcioacuten de un estudio donde se
evaluacutea la presioacuten de hinchamiento del suelo el potencial de hinchamiento y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada de muestras alteradas e inalteradas de
suelos expansivos De donde se describen tres tipos de suelos seleccionados de
la parte norte de Jordania con una amplia gama de contenido de arcilla
caracterizando las propiedades fiacutesicas de estos suelos como la gradacioacuten el
liacutemite plaacutestico y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco
54
maacuteximo y el contenido oacuteptimo de agua de donde se tienen en cuenta las normas
ASTM para consolidar los resultados en la Tabla 11 del presente documento
Razoacuten por la cual se toman valores de peso especiacutefico para MH CH y CL ya que
el estudio que se explicoacute anteriormente estuvo basado en muestras de suelos
inalteradas en zonas altamente arcillosas con caracteriacutesticas similares a las que
se analizan
Otro de los estudios realizados en el libro de Expansive Soils trata de una serie
completa de pruebas de la compresioacuten inconfinada (UC) no consolidado no
drenado (UU) triaxiales y columna resonante (RC) en donde se realizan sobre
muestras estabilizadas quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del
sureste de Arlington Texas despueacutes de haber sido sometido a ciclos repetitivos
de humectacioacuten-secado (WD) inducido artificialmente en el laboratorio Se
utilizan los resultados para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo
plazo la rigidez y unidimensional (1-D) hinchazoacuten y contraccioacuten como respuesta
del suelo tratado incluyendo la resistencia a la compresioacuten inconfinada
paraacutemetros de resistencia al corte sin drenaje moacutedulo de corte dinaacutemico y
material de amortiguacioacuten
Los Meacutetodos de estabilizacioacuten incluyen sulfato resistente cemento Tipo V bajo en
calcio clase F de ceniza volaacutetil cal viva y se mezcla con fibras de polipropileno
Dichas muestras de suelo tratadas se curaron durante 7 diacuteas y despueacutes se
sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la prueba UC UU y RCl Un
ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua potable en la sala
de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a 140 degF En cambio
las caacutemaras wd permiten el monitoreo de 1-D expansioacuten-contraccioacuten que brinda
respuesta durante wd repetido Una dosis por peso 10 de cemento Tipo V
parece dar mejor rendimiento general bajo wd ciacuteclico
55
Es de esta manera como se busca resumir los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados descritos en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
natural antes de ser tratado En la misma tabla indicada pero en la fuente
bibliograacutefica se presentan los demaacutes resultados como resumen de los paraacutemetros
de resistencia al cortante (c-ɸ) obtenidos de ensayos triaxiales UU que en este
caso se omitieron debido a que nuestro estudio estaacute basado en suelos expansivos
sin tratar
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no
drenado Suelo natural antes de ser tratado
Nuacutemero de
ciclos w-d C (psi) C (KPa)
de
cambio
ɸ
(deg)
de
cambio
Suelo
Natural
0 68 469 00 06 00
1 65 449 - 44 06 00
2 67 462 - 15 06 00
4 63 435 - 74 06 00
8 69 476 + 15 06 00
16 69 473 + 07 06 00
32 69 476 + 15 06 00
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 129 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681
Los valores que se encuentran resaltados en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
56
natural antes de ser tratado fueron utilizados en el trabajo para los paraacutemetros del
material arcilla de alta plasticidad (CH)
A continuacioacuten se presentan las figuras correspondientes a los efectos del
contenido inicial de agua en la presioacuten por hinchamiento para obtener los valores
de cohesioacuten en cada uno de los tipos de suelos estudiados para ello se tiene en
cuenta las propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos resumidos en la tabla
11 donde se especifica el contenido inicial () del agua asiacute CH 24 MH 22 y CL
20 valores con los que se ingresa en el eje vertical para las figuras
correspondientes al suelo compuesto por limo de alta plasticidad y arcilla de baja
plasticidad analizado en condiciones estaacuteticas (la condicioacuten dinaacutemica se tendraacute
en cuenta en el proceso de modelacioacuten)
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH
Tomado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 134 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
57
A partir de la figura 3 se obtiene un valor de
y a su
vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla
inorgaacutenica de alta plasticidad
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para CL
Tomado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 135 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A partir de la figura 4 se obtiene un valor de
y a su vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla inorgaacutenica de alta
plasticidad
En la investigacioacuten se encuentran diferentes paraacutemetros para distintos tipos de
suelos de los cuales se analiza y compara con la fuente del libro de Expansive
58
Soils seleccionando los apropiados para ejecutar la modelacioacuten en el software
Slidereg en la Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos en el cual se
evidencian valores comparados con la fuente confiable del libro
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Consistencia
Angulo de friccioacuten
interna
ɸ en grados
Peso
especiacutefico
Kgcm2
Arena gruesa
o arena con
grava
Compacta 40 2250
Suelta 35 1450
Arena media Compacta 40 2080
Suelta 30 1450
Arena limosa
fina o limo
arenoso
Compacta 30 2080
Suelta 25 1365
Limo uniforme Compacta 30 2160
Suelta 25 1365
Arcilla-limo Suave a
mediana 20 1440-1920
Arcilla limosa Suave a
mediana 15 1440-1920
Arcilla Suave a
mediana 01 1440-1920
Fuente Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos [En liacutenea] lt httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-
diferentes-propiedades-de-los-suelosgt [citado en 11 de noviembre del 2015]
59
7311 Paraacutemetros para limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Este tipo de materiales cuentan con suelos de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse antes los esfuerzos mecaacutenicos contando con un liacutemite
liquido menor de 50 Los paraacutemetros para este material se establecen en la tabla
13 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
LIMO INORGAacuteNICO DE ALTA PLASTICIDAD
(MH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 15 146
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se toman de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten correspondiente al efecto del contenido de agua inicial en la
presioacuten de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para MH En
donde se observa la seleccioacuten del paraacutemetro en la graacutefica 3 El efecto del
contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH Ingresando en el eje horizontal con el contenido inicial
del agua descrito en la tabla No 11 Propiedades Fiacutesicas de los suelos
expansivos en la cual se describe un contenido de agua inicial de 22
que para condicioacuten estaacutetica es de 140 Kpa como presioacuten de hinchamiento
60
que permite obtener el valor de la cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten los datos obtenidos de la web ingeniero civil
denominada Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten de la tabla 13
Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos que se encuentra en un blog
peruano creado en agosto de 2010 por John J Rojas se identifica como
un portal que dedica a compartir y difundir temas relacionados con la
ingenieriacutea civil desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico Se describe en el paacuterrafo introductorio del numeral 73 de
seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos y es tomado de la tabla 11
Propiedades fiacutesicas de los suelos
7312 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
La arcilla de alta plasticidad pertenece a suelos inorgaacutenicos de grano muy fino
con baja capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico su
liacutemite liacutequido es mayor a 50 presentando asiacute los paraacutemetros geomecaacutenicos a
continuacioacuten para el respectivo material descrito en la tabla 15 Paraacutemetros
geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
61
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA
PLASTICIDAD
(CH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
469 06 141
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se tomaron de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten se encuentran resumidos los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados el anaacutelisis es efectivo por que el suelo se
presenta en estado natural En la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al
corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural
antes de ser tratado
Aacutengulo de friccioacuten tomado para el suelo natural sin ninguacuten tipo de
estabilizacioacuten ni alteracioacuten en el contenido del mismo basada en las
condiciones iniciales de suelos expansivos despueacutes de haber sido sometida
dicha muestra a ciclos repetitivos de humectacioacuten-secado (WD) inducido
artificialmente en el laboratorio para identificar el comportamiento del mismo
en cuanto a la resistencia al cortante donde el aacutengulo de friccioacuten interna
determina su comportamiento junto con la cohesioacuten resumidas dichas
62
Condiciones en la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para
ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural antes de ser
tratado
Peso especiacutefico este valor se encuentra descrito en el paacuterrafo introductorio
de seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos Tabla 11 Paraacutemetros fiacutesicos de
los suelos expansivos
7313 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
La arcilla de baja plasticidad hace parte de los suelos inorgaacutenicos de grano muy
fino con baja capacidad de deformacioacuten sin sufrir de grietas ente un esfuerzo
mecaacutenico el liacutemite liquido es menor a 50 de esta manera en la tabla 16
Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) se
describen los paraacutemetros a considerar para la modelacioacuten ejecutada
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA
PLASTICIDAD
(CL)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 01 151
Fuente propia
63
Los paraacutemetros relacionados se toman de distintas fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten corresponde al efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten
de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para CL Ingresando en
el eje horizontal con el contenido inicial del agua descrito en la tabla 11
Propiedades Fiacutesicas de los suelos expansivos se describe un contenido de
agua inicial de 20 que para condicioacuten estaacutetica muestra un valor de 140
Kpa como presioacuten de hinchamiento que permite obtener el valor de la
cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten Se obtiene de la web del ingeniero civil denominada
Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten un blog peruano creado en
agosto de 2010 por John J Rojas descrito en la tabla 13 Paraacutemetros de
diferentes tipos de suelos en donde se tiene en cuenta el portal que se
dedica a compartir y difundir temas relacionados con la ingenieriacutea civil
desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico descrito en el paacuterrafo introductorio de seleccioacuten de
paraacutemetros geomecaacutenicos de la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos
expansivos
64
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 732
Para la seleccioacuten del valor cuando hay presencia de sismo en la modelacioacuten del
talud se tiene en cuenta la norma NSR-10 TITULO A de donde se selecciona el
valor del coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva el cual
se determina en su maacuteximo valor de amenaza siacutesmica igual a 030 descrito en la
Tabla A23-1 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y de Av descrito en la
figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y Av
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo A Capitulo A2 Zona de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de
disentildeo
El valor que se selecciona en el paacuterrafo anterior para una amenaza siacutesmica alta
se multiplica por el coeficiente Kst que se utiliza para el anaacutelisis y disentildeo de
taludes en donde se debe incluir la aceleracioacuten maacutexima del terreno teniendo en
cuenta el tipo de material terreo que se manejaraacute en el presente proyecto Tomado
de la tabla H52-1 de la norma sismo resistente Observado en la figura 6
Valores de Kst A max
65
Figura 6Valores de Kst A max
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5Excavaciones y estabilidad de taludes
Seleccionando el valor que pertenece a suelos enrocados y macizos muy
rocosos con un Kst de 080 ya que no se ejecutoacute ninguacuten anaacutelisis de amplificacioacuten
en los suelos expansivos de estudio
El valor se aproxima de 024 a 025 como coeficiente de aceleracioacuten de amenaza
siacutesmica en el disentildeo de los taludes en el software Slide reg
De tal manera que para el anaacutelisis de factor de seguridad de los taludes se tiene
en cuenta el capiacutetulo H en donde se especifican los valores maacuteximos para que el
talud se encuentre en amenaza por un fenoacutemeno de remocioacuten en masa El cual se
puede observar el la figura 7Factores de seguridad indirectos miacutenimos
66
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5 Excavaciones y estabilidad de taludes
7321 Paraacutemetro de presioacuten de poros Ru
Teniendo en cuenta que el Ru es una relacioacuten de poros y esfuerzo vertical se
seleccionan valores de 00 01 025 04 y 05 en donde a medida que aumenta
dicho valor indica el nivel de agua contenido en el suelo del talud para el valor
00 el suelo se encuentra de estado natural-huacutemedo en 025 es un nivel de agua
medio en el talud y 05 talud saturado
67
Paraacutemetros geomeacutetricos 733
En la etapa de recoleccioacuten de datos se investigaron tesis relacionadas con el tema
de donde se tuvo en cuenta el documento desarrollado sobre Influencia Del
Abatimiento Del Nivel Freaacutetico En El Caacutelculo del Factor De Seguridad Para La
Estabilidad De Taludes realizado por el Ingeniero Leonardo Leuro Antildeo
2015Universidad La Gran Colombia
Para lo cual se seleccionan diferentes alturas en la geometriacutea del talud y aacutengulos
de inclinacioacuten estudiados en el proyecto descrito anteriormente los cuales fueron
Aacutengulos 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Alturas de talud de 10 m y 20 m
74 DESARROLLO DEL MODELO
A traveacutes de los paraacutemetros geomecanicos y geomeacutetricos anteriormente descritos
se disentildean taludes con diferentes condiciones con el fin de lograr un anaacutelisis
completo de lo que se presenta en campo descrito en la tabla 17 Matriz de
disentildeo
68
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
Fuente propia
De la cual se generan los modelos teniendo en cuenta los diferentes aacutengulos y
alturas en estado dinaacutemico y estaacutetico para diferentes valores de Ru de donde se
obtienen valores de factor de seguridad para el material de Arcilla de alta
plasticidad limo de alta plasticidad y arcilla de baja plasticidad en el cual se
evidencian los paraacutemetros geomecaacutenicos descritos a partir del numeral 73
Paraacutemetros geomecaacutenicos del presente documento
000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447 2416 2184 1937 1471 1307 1139 1468 1466 1465 0909 0907 0906
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670 1575 1365 1146 0993 0851 0705 0733 0731 0729 0492 0490 0489
10 1991 1983 1975 1404 1398 1392 2007 1817 1624 1380 1246 1111 1377 1376 1374 0882 0881 0880
20 1008 1000 0991 0677 0670 0664 1246 1073 0902 0887 0756 0626 0689 0687 0686 0466 0464 0463
10 1810 1804 1798 1345 1340 1336 1654 1479 1319 1248 1131 1015 1251 1250 1248 0868 0867 0866
20 0958 0951 0945 0649 0644 0638 1011 0858 0705 0763 0646 0527 0623 0622 0621 0460 0459 0458
10 1548 1542 1536 1242 1238 1233 1306 1141 0981 1107 0988 0858 1069 1068 1067 0831 0830 0830
20 0779 0773 0767 0587 0582 0578 0797 0640 0485 0648 0534 0406 0536 0535 0534 0403 0402 0402
30
45
60
75
RuALTURAANGULO
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
Ru Ru
0
Ru
025
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
C (KNM2) φ γ(KNM2)
35 15 146
Ru Ru
C (KNM2) φ γ(KNM2)
CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
35 01 151
69
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 741
Se realiza el disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en
condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 0 en
donde se indica una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Que se
observa en la figura 8Modelo en Slidereg para un CH de donde se obtiene el valor
de factor de seguridad que se muestra en la figura 9 Factor de seguridad CH
estaacutetico
Figura 8 Modelo en slide para un CH
Fuente Propia
70
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico
Fuente Propia
De esta manera se realiza este procedimiento para los materiales de MH Limo de
alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
Se lleva acabo el disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de aacutengulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico brindando asiacute un
factor de seguridad que se muestra en la figura 11 Factor de seguridad para MH
estaacutetico
71
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad para dicho modelo descrito en la
figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Fuente propia
72
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12Modelo de Slidereg para un CL estaacutetico
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad del talud que se observa en la figura
13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Fuente propia
73
En el proceso de modelacioacuten se incluye la condicioacuten de sismicidad en donde en el
Software SLIDEreg se agrega en LOADING seismic load y se coloca el valor de
025 como coeficiente de amenaza siacutesmica Aa
De esta manera se tiene en cuenta la condicioacuten dinaacutemica la cual se realiza en el
disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 para una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Observado en la figura
14Modelo en Slide para un CH dinaacutemico
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico
Fuente Propia
74
Del anterior disentildeo se logra obtener el factor de seguridad que se observa en la
figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Fuente Propia
Es asiacute como se lleva a cabo este procedimiento para los materiales de MH Limo
de alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
El disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 con una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se observa en la figura
16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
75
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad observado en la figura 17 Factor de
seguridad para MH dinaacutemico
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico
Fuente propia
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 0 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 025 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12 Modelo de Slide para un CL estaacutetico el cual se observa
76
en la Figura 18 Modelo de Slide para un CL dinaacutemico
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad del talud en condicioacuten de sismo visto
en la figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Fuente propia
77
De esta manera se modifican en el modelo los valores de Ru=0 025 y 05 y las
alturas de 10m y 20m con aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
relacionaacutendolos entre siacute obteniendo el factor de seguridad para condiciones
estaacuteticas en 144 modelos en condiciones estaacuteticas y dinaacutemicas En la segunda
modelacioacuten se realiza el mismo procedimiento con 120 modelos incluyendo
valores de Ru= 01 y 04 con una altura especifica de 10 metros para diferentes
aacutengulos
De donde se obtiene como resultado la matriz de factores de seguridad que se
muestra en la tabla 17 Valores de factor de seguridad
Tabla 17Valores de factor de seguridad
Fuente propia
De estos resultados se efectuacutea el anaacutelisis de graacuteficas que se observa en el
numeral 8anaacutelisis de resultados comparando el factor de seguridad vs el aacutengulo
para diferentes alturas del talud con presencia de CH MH y CL en
condiciones dinaacutemicas y estaacuteticas como se muestra en la figura 20 Comparacioacuten
de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para Ru=00
CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670
0
Ru
025
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
30
RuALTURAANGULO
78
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten
estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
Fuente propia
De esta manera para los 120 modelos donde los Ru= 00 01 025 04 y 05 con
una altura de 10 metros y aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75 ordm se
elaboran las graacuteficas en Excel con el fin de hacer una comparacioacuten de cada uno
de los aacutengulos con respecto al valor de factor de seguridad vs ru en estado
dinaacutemico y estaacutetico que se muestra en la Figura 21 Graacutefica Factor de seguridad
Vs Ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y altura de 10 m en CH
MH y CL de esta manera se estudian los comportamientos respectivamente en el
iacutetem 8anaacutelisis de resultados
79
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente propia
Con el fin de obtener la cohesioacuten a la que un talud compuesto por suelos
expansivos con aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm a una altura de 10 metros cumple
con los factores de seguridad expuestos en el numeral 732 Seleccioacuten de valores
de sismo y ru en estado estaacutetico y dinaacutemico se ejecuta una sensibilizacioacuten del
paraacutemetro cohesioacuten para los diferentes modelos modificando asiacute el valor de ru
en 00 01 025 04 y 05 siendo 00 la condicioacuten seca o en estado natural del
suelo 025 condicioacuten intermedia de nivel de agua en el talud y 05 condicioacuten de
saturacioacuten mientras que 01 y 04 son valores intermedios
Se realiza el siguiente procedimiento con cada uno de los modelos en donde se
encuentra una modificacioacuten de la geometriacutea (aacutengulo) el valor ru y su condicioacuten
estaacutetica o dinaacutemica
80
1 Se toma como ejemplo el modelo de talud para10 metros con un aacutengulo
de 30ordm con material de arcilla de alta plasticidad se verifica que se
encuentre la seleccioacuten en anaacutelisis Project settings statistics y se
selecciona sensitivity analysis Como se muestra en la figura 22
Sensitividad de paraacutemetros
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros
Fuente propia
2 Se seleccionan las variables y se escriben los valores de cohesioacuten que en
este caso son de 469 knm2 para CH 35 knm2 para CL y 35 knm2 para
MH en cada uno de los modelos correspondientes a cada material y con
su respectiva geometriacutea determinando los rangos de las variables que en
este caso se manejan 20 por encima y por debajo para el CH y 30 por
encima y por debajo para el CL y MH como se muestra en la figura 23
Rangos de variables
81
Figura 23 Rangos de variables
Fuente propia
3 Se corre el modelo con el fin de obtener la falla que presenta el talud y
cuando se obtiene se da clic en statistics sensitivity analysis plot se
selecciona cohesioacuten y el meacutetodo que para este caso es bishop y se da clic
en plot de donde se obtiene la graacutefica factor de seguridad vs cohesioacuten Que
se muestra en la figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud
compuesto por CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
82
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con altura de
10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
Fuente propia
4 La figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por
CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm se exporta a Excel y
se realiza el mismo procedimiento para los aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
para cada uno de los materiales CH MH y CL de donde se modifica la
condicioacuten de ru y de estaacutetico a dinaacutemico de donde se obtienen las graacuteficas
correspondientes a cada uno de los aacutengulos por cada material Como se
muestra en la figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH CL y
MH con altura de 10 m con ru=00 01025 04 y 05 en condicioacuten
estaacutetica y seudo-estaacutetica
83
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con ru=00 en
condicioacuten estaacutetica
Fuente propia
5 Al obtener las graacuteficas para CH MH y CL con condiciones de ru=00 01
025 04 y 05 se traza un liacutenea horizontal en el valor de 15 para condicioacuten
estaacutetica y en 105 para condicioacuten dinaacutemica que se describen en la tabla
7Factores de seguridad indirectos miacutenimos tomados de la NSR-10 y una
liacutenea vertical que intersecta con la liacutenea horizontal con las pendientes
correspondientes a cada uno de los valores de factor de seguridad vs
cohesioacuten que se realiza para cada aacutengulo encontrando asiacute el valor de
cohesioacuten de tal manera que los mismos indican que para las condiciones
geomeacutetricas descritas los valores de cohesioacuten que se muestran en el
anexo 4 Valores de cohesioacuten para suelos expansivos cuando se tiene un
84
valor menor al mostrado en la tabla los valores de factor de seguridad no
cumplen y es necesario realizar una modificacioacuten en el talud con el fin de
obtener estabilidad en la estructura El procedimiento para la obtencioacuten del
valor de cohesioacuten se realiza como se muestra en la figura 26 Valor de
cohesioacuten para un CH con ru=00 en condicioacuten estaacutetica para aacutengulos de
30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y 05 en
condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
85
86
87
88
89
Fuente propia
6 A traveacutes de este proceso se obtienen los resultados que se muestran en el
anexo 4Valores de cohesioacuten para suelos expansivos
90
8 ANALISIS DE RESULTADOS
A continuacioacuten se presentan los resultados y anaacutelisis de comportamiento de los
taludes compuestos por suelos expansivos Dichos resultados se asocian al valor
de factor de seguridad de los modelos disentildeados en el software Slidereg de
acuerdo a paraacutemetros geomecaacutenicos descritos en el titulo 73 Seleccioacuten de
paraacutemetros encontrados en el libro Expansive Soils de Amer Ali Al-Rawas amp
Mattheus FA Goosen de tal manera que los resultados se asocian a diferentes
condiciones como los son dinaacutemicos y estaacuteticos y cambios en el valor de ru con
respecto a alturas de 10 metros y 20 metros
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=0 en
CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 27 se analiza un comportamiento la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten en un 28 para estado
estaacutetico dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
91
expansivos siendo evidente que la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) tanto
para la altura de 10m como para la de 20m presenta un porcentaje de reduccioacuten
136 y 212 en comparacioacuten a los demaacutes tipos de suelos expansivos debido
a que tiene menor consistencia
Por lo tanto el limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor
aacutengulo de inclinacioacuten muestra un factor de reduccioacuten de 59 sin embargo su
factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada
a medida que aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas es menor
al aumentar la inclinacioacuten del talud FS disminuyendo de manera leve
En la graacutefica se evidencia que cerca de los 60deg de inclinacioacuten del talud para una
altura de 20 m MH y CH se comportan de manera similar con un factor de
seguridad de 101 y 096 equivalente al 55 respectivamente lo que indica
inestabilidad seguacuten la norma NSR-10 Tiacutetulo H Tabla H69-1 donde se especifica
que la estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetico debe ser
de 150 Mientras que en un talud de 10 m cerca de los 45deg de inclinacioacuten tanto el
MH como el CH presentan un comportamiento similar con un factor de seguridad
de 2 cumpliendo el factor miacutenimo que rige la Norma NSR-10
Al observar en la graacutefica la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) en un talud
de 20 m a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten presenta inestabilidad auacuten en condicioacuten
estaacutetica y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru
Finalmente en condiciones estaacuteticas y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru el material
oacuteptimo es CH solo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier
inclinacioacuten muestra estabilidad con un factor de reduccioacuten del 28 Cumpliendo
con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
92
Es asiacute como es preciso aclarar que en cualquier caso el FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 28 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y el paraacutemetro ru dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un talud de altura de 20m
cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 correspondiente a
150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo representa con
paraacutemetro ru el cual afecta de manera directa al talud
Uno de los factores de gran importancia es la geometriacutea que representa el talud
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
93
debido a que para un talud de 10 m hasta 20 metros el factor de reduccioacuten oscila
entre el 40 al 60
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo su factor de seguridad
disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada a medida que
aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas (C) es menor al
aumentar la inclinacioacuten del talud el FS disminuye de manera leve Este
comportamiento continua siendo caracteriacutestico de este material pues al ser
comparado con la Figura 27 el material es inadecuado no solo al aumentar la
inclinacioacuten sino tambieacuten a la presencia de agua en el suelo
En la graacutefica se puede evidenciar que cerca de los 50deg de inclinacioacuten para una
altura de 20 m MH y CH se comportan con un valor de 17 de manera diferente
quiere decir que su porcentaje restante su comportamiento es igual Sin llegar a
cumplir con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de 10 m
cerca de los 30deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CH presentan un
comportamiento similar cumpliendo con FS=21
Finalmente en condiciones estaacuteticas y con ru=025 el material oacuteptimo es CH
soacutelo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra
estabilidad modificado con el 28 de probabilidad Cumpliendo con el valor
miacutenimo establecido en la NSR-10
Entonces es preciso aclarar que en cualquier caso FS inversamente proporcional
al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
94
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 29 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y en condicioacuten criacutetica de saturacioacuten con ru=05
dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un
talud de altura de 20m cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-
10 correspondiente a 150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo
afecta de manera directa al talud y al comportamiento mecaacutenico del suelo
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 ESTAgraveTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
95
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material genera
condiciones inadecuadas no solo al aumentar la inclinacioacuten sino tambieacuten a la
presencia de agua en el suelo En donde se evidencia que para un CH con
presencia de ru= 00 hasta ru=05 su factor de reduccioacuten se ve modificado en un
1 mientras que para MH da un valor de 1982 y para un CL de 01
Cabe resaltar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para una altura de 20 m MH y
CH se comportan de manera similar con un FS=100 lo que indica estabilidad
pero no cumple con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de
10 m cerca de los 70deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CL presentan un
comportamiento similar con FS=125 A partir de eacuteste uacuteltimo anaacutelisis es importante
aclarar que el MH ya no se relaciona con el comportamiento del CH sino del CL
Finalmente en condiciones estaacuteticas y condicioacuten criacutetica de ru=05 el material
oacuteptimo sigue siendo CH como en los casos anteriores pero solo en un talud de
10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con factores
de reduccioacuten que no cambian bruscamente si no que oscilan entre el valor de
338 hasta 332 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo lo descrito anteriormente indica que en cualquier caso se analiza que el
FS es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
96
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=000
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 30 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
dinaacutemica con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica de 025 descrito en la
seleccioacuten de valores de sismo (iacutetem 732) del presente proyecto ninguno de los
materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m de
altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo afecta de
manera directa al talud
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
97
El MH es el material que a menor aacutengulo de inclinacioacuten de 51ordm en condiciones
dinaacutemicas muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material presenta
comportamientos mecaacutenicos deacutebiles no solo al aumentar la inclinacioacuten sino
tambieacuten a la presencia de un sismo lo cual se evidencia en el 187 con ru=00
y se evidencia en ru=05 con un porcentaje de 669
De tal manera se evidencia que a los 45deg de inclinacioacuten para el MH en un talud
de altura de 20 m y un CL con un talud de 10 m de altura se comportan de
manera similar comparaacutendolo con una diferencia del 08 de tal manera que a
pesar de sus diferencias dichos factores le generan inestabilidad a el talud Por
lo tanto para un aacutengulo de inclinacioacuten de 30deg y una altura 10 m su inferencia con
respecto al factor de seguridad es del 1 cumpliendo asiacute para los valores
descritos en la matriz de resultados con la NSR-10
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo sigue siendo CH como
en los casos anteriores ya que cumple con el 313 pero solo en taludes de 10
m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre
1242 y 146 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo ello indica que en cualquier caso se analiza que FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura aun en condiciones dinaacutemicas
98
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 31 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales que se analizan en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de
10 m de altura cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo y de agua en el
suelo afecta de manera directa al talud teniendo en cuenta que el factor de
reduccioacuten para un CH es de 505 en condiciones de 75ordm de inclinacioacuten
mientras que para MH es mayor pues es de 628 y para el CL de 504
De esta manera se observa que a los 60deg de inclinacioacuten para el MH y el CL en un
talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un factor de
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
99
reduccioacuten de 256 lo que indica inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta
para todos los materiales en un talud de 20 m de altura y en una altura de 10 m
para los CL
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo continuacutea siendo CH
como en los casos anteriores pero solo en un talud de 10 m de altura puesto que
frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre 1238 y
1454 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10 Sin embargo el
MH tambieacuten se comporta de manera adecuada hasta inclinaciones de 60deg puesto
que bajo estas condiciones presenta FS entre 1131 y 1307
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 32 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
100
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m
de altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 esto se
debe a que la presencia de sismo y de agua en el suelo afecta de manera directa
al talud siendo el factor de reduccioacuten para las arcillas cercano al 1 mientras que
para los limos da superior al 20
Es asiacute como se puede observar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para el MH y
el CL en un talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un
porcentaje igual de 447 lo que con lleva a que el comportamiento mecaacutenico del
suelo no es igual y genera inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta para
todos los materiales en un talud de 20 m de altura y el CL en una altura de 10 m
En condiciones dinaacutemicas el material con las mejores caracteriacutesticas se suelo es
el CH como en todos los casos mencionados anteriormente pero solo en un talud
de 10 m de altura puesto que frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra
estabilidad con FS entre 1233 y 1447 Sin embargo el MH tambieacuten se comporta
de manera adecuada hasta inclinaciones de 45deg puesto que bajo estas
condiciones presenta FS entre 1111 y 1139
Es asiacute como se concluye que FS es inversamente proporcional al aacutengulo de
inclinacioacuten a la altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica al ser comparado
entre los modelos con las diferentes condiciones de sismo
Es evidente la influencia que tiene la presencia de agua en los suelos expansivos
a continuacioacuten se presenta un anaacutelisis del comportamiento de los suelos ante la
variacioacuten del paraacutemetro ru para taludes con una altura de 10m con el fin de
analizar cuaacutel de estos materiales se ve maacutes afectado por dicho paraacutemetro
101
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 33 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad (FS) de manera
insignificante al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y 05 con
factores de reduccioacuten de 392 hasta 328 desde 30ordm de inclinacioacuten hasta 75ordm
respectivamente cumpliendo con el factor de seguridad descrito en la NSR-10
(15 en condicioacuten estaacutetica) A diferencia del limo inorgaacutenico de alta plasticidad
(MH) que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a medida que
aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS entre 2416 y 1937 Por otro lado la
arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH) disminuye FS de 2127 a 2105 a medida
que aumenta el paraacutemetro ru
A partir de lo mencionado es claro que el factor de seguridad es inversamente
proporcional al paraacutemetro ru puesto que a mayor presencia de agua en el suelo
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
000 020 040 060
FS
RU
30ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
102
menor factor de seguridad el cual se hace evidente en el cambio que se presenta
para los diferentes materiales que como ejemplo se cita del CH que para un
aacutengulo de 30ordm 10 metros de altura con ru=0 hasta 05 brinda un factor de
reduccioacuten del 1034
Se evidencia que el CH tiene un comportamiento constante frente al cambio del
factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas cumplen con respecto al valor
brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se establece
a 105 pues los valores del FS oscilan entre 1460 hasta 1447 que comparado
con el material de MH para un aacutengulo de 30ordm la diferencia estaacute en un 1306
mientras que para el CL es de 309
El CL el FS es de 0909 hasta 0906 donde el ru=00 y ru=05 teniendo
posibilidades altas de falla con respecto a los materiales CH y MH siendo
afectado cada uno de los suelos por la condicioacuten dinaacutemica que hace a los
materiales propensos para que ocurra fenoacutemenos por remocioacuten en masa
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 30deg y una altura de 10 m
todos los materiales son oacuteptimos siendo MH el mejor de ellos representado en
porcentajes de 1982 hasta el 3914 Mientras que en dinaacutemico el CL No
cumple en ninguacuten momento con los paraacutemetros establecidos por la norma sismo
resistente mientras que los otros materiales si hasta cierto aacutengulo de inclinacioacuten
como se especifica en el anexo 3 Modelacioacuten adecuada para taludes compuestos
por suelos expansivos
103
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 45deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 34 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad a medida que
aumenta el contenido de agua en el suelo al igual que el CH y MH
De tal manera que para el material CH los valores de ru=00 entre el 1 al 29
esto se debe a que la modificacioacuten que le pueda llegar a generar el agua al suelo
es miacutenima frente al resto de materiales pues en el MH da un valor del 30 Lo
cual indica que existe un paso raacutepido del agua por las partiacuteculas del suelo
generando asiacute que en condicioacuten estaacutetica para una inclinacioacuten de 45deg el CL no
cumpla con respecto al factor de seguridad de la norma NSR-10 mientras que
MH y CL si siendo CH el material maacutes oacuteptimo para estas condiciones de talud
Se infiere que al aumentar el aacutengulo a 45ordm el factor de seguridad disminuye
siendo dicho valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0500
1000
1500
2000
2500
000 020 040 060
FS
RU
45ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
104
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 se observa que para los
suelos CH y MH cumple para el aacutengulo de 45ordm mientras que para el suelo CL no
cumple con dicha condicioacuten cuando presenta un fenoacutemeno de sismo
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 60deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 35 se evidencia que CL describe un comportamiento constante que
disminuye FS en un 27 al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y
05 con FS entre 024 a 044 respectivamente incumpliendo la NSR-10 A
diferencia del MH que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
000 020 040 060
FS
RU
60ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
105
medida que aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS Por otro lado en el suelo
compuesto por CH disminuye en 14 a medida que aumenta la condicioacuten de
agua
Se observa que el CH presenta un comportamiento constante frente al cambio
del factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas que cumplen con respecto al
valor brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se
establece a 105
De tal manera que el comportamiento para el MH se evidencia que el FS es
inversamente proporcional al factor ru debido que al aumentar las condiciones de
ru en el talud el FS disminuye cumpliendo con el valor miacutenimo descrito en NSR
10 hasta un ru de 04
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 45deg y una altura de 10 m
solo el CH y MH cumplen con el factor siendo materiales oacuteptimos para el disentildeo
siendo CH el mejor de ellos en condicioacuten dinaacutemico el CL no cumple con el factor
de seguridad miacutenimo establecido mientras que el CH es un material oacuteptimo para
las diferentes condiciones establecidas el MH en cambio cumple con aacutengulos
menores a 72ordm con un ru=025 mientras que en condiciones totalmente
saturadas cumple para aacutengulos de inclinacioacuten menores a 59ordmcomo se evidencia
en el anexo 3modelacioacuten adecuada para taludes compuestos por suelos
expansivos
106
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 75deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
En la figura 36 se evidencia que para condiciones estaacuteticas el FS se cumple
para el material de CH mientras que para los otros materiales de MH y CL no
cumple con las condiciones debido a que se encuentra por debajo de lo
establecido que es de 15 con la altura de 10 m De esta manera se evidencia en
los tres materiales que el FS es inversamente proporcional al ru con cambios de
08 en el valor del ru=0 hasta un 15 para un CH mientras que para el MH
varia entre el 2488 hasta el 3734 y para un CL la variacioacuten es de 018 a
025 pues entre mayor es dicho coeficiente menor es el factor de seguridad
Siendo afectado igualmente por el aacutengulo de inclinacioacuten y la geometriacutea del talud
Es asiacute como se infiere que al aumentar el aacutengulo a 75ordm el factor de seguridad
disminuye siendo el valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
000 020 040 060
FS
RU
75ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
107
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 cuando se encuentra
amenazado por un factor de sismo se observa que para los suelos CH cumple
para el aacutengulo de 75ordm mientras que para el suelo MH cumple hasta condiciones
de ru= 01 lo que indica que para condiciones de ru= 025 04 y 05 no cumpliriacutea
con dicha condicioacuten es asiacute como se observa el CL no cumple las condiciones
miacutenimas para el factor de seguridad en condiciones dinaacutemicas
Al realizar los diferentes modelos con las condiciones descritas se observa que el
paraacutemetro geomecaacutenico que modifica el comportamiento de los suelos expansivos
presentes en un talud es la cohesioacuten por lo tanto se ejecuta sensibilizacioacuten del
paraacutemetro y se hace una anaacutelisis del comportamiento que presenta frente a
cambios de geometriacutea y paraacutemetro ru de donde se observa que de los valores
descritos en el anexo 4 Para un ru establecido con una altura y aacutengulos
seleccionados se debe tener una cohesioacuten mayor al valor presentado en la tabla
pues se tiene en cuenta que a partir de un factor de seguridad en condiciones
estaacuteticas 15 los valores de cohesioacuten deben estar por encima de dicho valor
mientras que en condiciones dinaacutemicas deben estar por encima del valor de 105
lo que indica que entre mayor sea el valor de cohesioacuten a los valores determinados
mayor seraacute la atraccioacuten y unioacuten de las partiacuteculas del suelo evitando asiacute que se
presente un proceso de remocioacuten en un talud aumentando respectivamente el
factor de seguridad
108
9 CONCLUSIONES
Se definieron los paraacutemetros geomecaacutenicos de los materiales que se analizan en
cada una de las modelaciones (arcillas y limos) a partir de la informacioacuten descrita
en los antecedentes del presente trabajo de grado Gracias al libro de Amer Ali Al-
Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soil En Effect of remolding
techniques on soil swelling and shear strength properties Londres Taylor amp
Francis e-Library 2006 a partir del cual se obtiene detalle sobre los
comportamientos de suelos expansivos en taludes de tal manera que se ejecutan
diferentes modelaciones en las que se tienen en cuenta cambios en la geometriacutea
con el fin de comparar los factores de seguridad a traveacutes de graacuteficas de las cuales
se concluyoacute
El factor de seguridad es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la
altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica de donde se observa
detalladamente la influencia de la altura en el disentildeo del talud en el cual se
identifica que para alturas de 20 m conformado por este tipo de suelos bajo esta
condiciones de modelacioacuten los factores de seguridad tanto en condiciones
dinaacutemicas como estaacuteticas estaacuten por debajo del valor descrito en la Norma Sismo
Resistente Colombiana tiacutetulo H tabla H69-1 en donde se especiacutefica que la
estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetica debe ser de 150
y para condicioacuten dinaacutemica 105 sin embargo para los taludes con alturas de 10 m
se identifica que los suelos compuestos por arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(MH) son materiales con excelentes comportamiento en condicioacuten estaacutetica y
dinaacutemica mientras que el limo inorgaacutenico de alta plasticidad es oacuteptimo en
condiciones criacuteticas con sismo y ru=05 para inclinaciones de 45deg o menores y
con sismo y ru=025 inclinaciones de 60deg o menores
109
La arcilla de alta plasticidad (CH) contiene una cohesioacuten mayor comparada a la
de la arcilla de baja plasticidad (CL) y al limo de alta plasticidad (MH) lo que
indica una mayor resistencia a la presencia de agua lo que genera mayor
estabilidad en el talud asiacute mismo el CH por presentar un valor de liacutemite liacutequido
mayor es susceptible al cambio de estado de plaacutestico a liacutequido contrario a lo que
sucede con el MH ya que su liacutemite plaacutestico es mayor al resto de los suelos debido
a esto es susceptible al cambio de estado de semi-soacutelido a plaacutestico De igual
manera para que la arcilla de alta plasticidad cambieacute de estado es necesario que
el suelo presente un mayor valor de ru=05 que en suelos expansivos este valor
es hasta 067
Para las modelaciones que se realizan en el presente proyecto se utiliza el
software Slidereg el cual resulta de faacutecil manejo con respecto al anaacutelisis del factor
de seguridad en diferentes condiciones de ru en estado dinaacutemico y sismo Asiacute
mismo el meacutetodo utilizado (Bishop simplificado) es un meacutetodo que a pesar de solo
satisfacer el equilibrio de momentos y no cumplir con la totalidad de las
ecuaciones de la estaacutetica presenta exactitud frente a los resultados que se
obtienen en comparacioacuten al meacutetodo ordinario El cual utiliza las dovelas en donde
se tiene en cuenta las fuerzas entre las mismas siendo el maacutes utilizado para
calcular el factor de seguridad de los taludes la uacutenica restriccioacuten que presenta es
que solo considera las superficies de falla circulares
Con respecto al aacutengulo de inclinacioacuten en un talud el mismo tiene una afectacioacuten
directa del factor de seguridad ya que a medida que la reconformacioacuten geomeacutetrica
del talud aumenta se genera una condicioacuten de inestabilidad directa con respecto
a la geometriacutea lo que se evidencia en las graacuteficas para un talud de 30ordm a 75ordm
respectivamente en un 28 en estado estaacutetico y un 16 en estado dinaacutemico para
un MH en estado estaacutetico es un factor de reduccioacuten de 59 mientras que en
dinaacutemico es del 42 y para CL es de 27 para dinaacutemico y estaacutetico
110
10 RECOMENDACIONES
Dentro de las recomendaciones se exponen las diversas limitaciones existentes en
cuanto a paraacutemetros geomecaacutenicos que se usan en las modelaciones y los
meacutetodos para observar el comportamiento mecaacutenico del suelo y el caacutelculo del
factor de seguridad
Para los paraacutemetros geomeacutetricos de los taludes modelados se recomienda el
disentildeo de taludes de 45deg a 60deg dependiendo del espacio del terreno ya que una
mayor inclinacioacuten implica mayores costos y el talud se hace susceptible a sufrir
procesos de remocioacuten en masa Asiacute mismo se recomiendan alturas de 10 m para
este tipo de suelos expansivos ya que mostraron mejores factores de seguridad
Cuando se tiene presencia de limos de alta plasticidad se hace necesario tener
inclinaciones en los taludes menores a 67ordm con alturas de 10m y Ru=0 mientras
que para un Ru=025 se recomienda hacer el disentildeo de un talud con una
inclinacioacuten menor a 51ordm y en estado dinaacutemico con una inclinacioacuten menor a 72ordm y
con un Ru=05 menor a 59ordm con el fin de que cumpla con los criterios descritos en
la Norma Sismo Resistente Colombiana titulo H
Para obtener el disentildeo de un talud en el presente proyecto de grado se
recomienda tener precisioacuten en el suelo sobre el cual se vaya a disentildear debido a
que se presenta los paraacutemetros geomecaacutenicos para resultados de factores de
seguridad que dependen por completo de la definicioacuten de los mismos y al
variarlos no se comportaraacuten de la manera en que se analizoacute en el presente trabajo
de grado Esto se comprueba durante la modelacioacuten realizada debido a que se
generan diferentes modelos con diferentes paraacutemetros geomecaacutenicos no
mencionados en el presente trabajo pero si tenidos en cuenta para la seleccioacuten
de los mismos
111
En la modelacioacuten de taludes del proyecto se utilizoacute el meacutetodo de Bishop
Simplificado para la modelacioacuten en el software Slidereg de tal manera que la
modelacioacuten queda abierta a la utilizacioacuten de los diversos meacutetodos existentes
112
11 BIBLIOGRAFIacuteA
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NORMA COLOMBIANA SISMO RESISTENTE Titulo A Capitulo A2 Zona
de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de disentildeo
114
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H5Excavaciones y estabilidad de taludes
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Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de Campoalegre ndash Ciudad de
Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
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1
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDAD
Fuente propia
ANGULO
(ordm) H(m) RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05
10 136 80 08 212 309 304 377 374 136 79 07 213 392 244 382 204 392 244 382 205 309 304 377 374
20 525 178 17 202 290 273 281 270 525 143 452 52 535 364 505 306 534 364 505 306 290 273 281 270
10 08 178 17 201 308 304 372 368 08 178 17 202 313 154 361 207 313 154 361 208 308 304 372 368
20 236 90 310 57 316 308 312 303 236 89 310 57 440 239 475 260 447 240 475 260 316 308 312 303
10 86 266 72 240 308 305 355 352 86 266 72 240 243 54 305 147 244 54 305 147 308 306 355 352
20 55 253 176 173 350 343 291 282 55 254 176 174 384 119 397 131 384 119 397 131 349 343 291 282
10 156 361 109 304 309 305 331 327 156 361 19 34 182 88 249 33 182 88 249 33 309 305 331 327
20 23 367 104 298 312 303 313 304 23 368 104 298 328 101 378 10 328 101 378 10 312 304 314 305
ANGULO
(ordm) H(m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICOESTAacuteTICO DINAgraveMICO RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 10 09 1982 2250 020 033 313 313 413 412 380 381
20 29 20 1333 2900 191 061 338 332 369 385 329 329
10 08 09 1908 1940 022 022 295 295 312 316 359 324
20 17 19 2760 2940 043 064 328 340 288 363 360 325
10 07 07 2025 1860 024 023 257 257 245 200 306 306
20 14 17 3026 3093 032 044 323 325 245 252 262 262
10 08 07 2488 2249 018 010 198 200 152 124 223 222
20 15 15 3914 3734 037 025 246 246 187 163 248 24775
45
60
462
475
472
516505
546
578
633
503
502
503
504
ALTURA DE 10 metros A 20 metros
460
473
526
535
527
551
574
628
CH MH CL
528
502
478
521
CH MH CL
DE ESTAacuteTICO A DINAacuteMICO
RU=00 A RU=05
CL
ESTATICO DINAMICO
RU=00 A RU=05 RU=00 A RU=05
CL
MH CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
CAMBIO DE RU
MH
30
MH
CH CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTATICO DINAMICO
30
45
60
75
CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
MH CL
ESTATICO DINAMICO
116
2
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA GEOMETRIacuteA
Fuente propia
H (m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 28 16 59 42 27 27
20 26 16 69 59 9 18
CH MH CL
CON INCLINACIONES DE 30ordm A 75ordm
117
3
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
Fuente propia
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
NO CUMPLE
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X lt669ordm X lt59ordm X lt51ordm X X X X X X X lt72ordm X lt59ordm
NO CUMPLE gt67ordm gt60ordm X gt52ordm X gt73ordm gt60ordm X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
10 CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
10
20
RU=00 RU=025 RU=05RU=00 RU=025 RU=05
20
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
10
20
CL
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
118
4
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOS
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 325 352 39 45 33 36 39 46 36 38 43 50 34 36 395 465 335 36 40 465
MH C(Knm2) 15 235 31 42 23 32 39 44 20 27 36 475 23 30 38 51 223 31 40 52
CL C(Knm2) 39 42 49 58 36 39 42 50 33 35 39 45 36 385 425 495 359 389 43 495
DINAacuteM
ICA
RU RU RU RU RU
ESTAacuteTI
CARU RU RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
RU
0 01 025 04 05
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 34 353 36 392 34 35 36 391 34 352 37 40 34 353 37 40 34 353 37 40
MH C(Knm2) 0 0 0 328 0 0 30 347 0 0 32 375 0 31 348 408 30 33 36 425
CL C(Knm2) 404 42 424 443 404 42 425 442 40 418 42 442 405 42 424 442 408 419 42 442
DINAacuteM
ICA
RU RU
04 05
RU
025
ANGULOS (ordm)ANGULOS (ordm)
0
RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
01
ANGULOS (ordm)
119
4
CONTENIDO
LISTA DE TABLAS7
LISTA DE FIGURAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
GLOSARIOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15
2 ANTECEDENTES 17
3 OBJETIVOS 22
31 OBJETIVO GENERAL 22
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS 22
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos 22
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos 22
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos 22
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos 22
4 JUSTIFICACIOacuteN 23
5 MARCO REFERENCIAL 25
51 MARCO CONCEPTUAL 25
Suelos Expansivos 26 511
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 38 512
52 MARCO LEGAL 42
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO 43
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN 43
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN 43
63 DISENtildeO MUESTRAL 43
5
Poblacioacuten universo 43 631
Muestra 44 632
Individuo 45 633
Variables 45 634
64 FASES DEL PROYECTO 46
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas 46
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 47 642
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 48 643
7 DESARROLLO METODOLOGICO 49
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS 49
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH 51
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS 53
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 53 731
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 64 732
Paraacutemetros geomeacutetricos 67 733
74 DESARROLLO DEL MODELO 67
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 69 741
8 ANALISIS DE RESULTADOS 90
9 CONCLUSIONES 108
10 RECOMENDACIONES 110
11 BIBLIOGRAFIacuteA 112
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDADhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip116
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA
GEOMETRIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip117
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
6
EXPANSIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip118
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip119
7
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos 28
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa 30
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten 31
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos 32
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa 33
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos 37
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes 40
Tabla 8 Normatividad 42
Tabla 9 Variables 45
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos 50
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos 51
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no
consolidado no drenado Suelo natural antes de ser tratado 55
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos 58
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(CH) 61
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad
(CL) 62
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
68
Tabla 17Valores de factor de seguridad 77
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander 26
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo 39
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para MH 56
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para CL 57
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av 64
Figura 6Valores de Kst A max 65
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos 66
Figura 8 Modelo en slide para un CH 69
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico 70
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico 71
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico 71
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico 72
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico 72
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico 73
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico 74
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico 75
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico 75
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico 76
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico 76
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en
condicioacuten estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m 78
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 79
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros 80
Figura 23 Rangos de variables 81
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con
9
altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm 82
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con
ru=00 en condicioacuten estaacutetica 83
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y
05 en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm 84
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=0 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 90
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 92
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 94
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=000 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 96
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 98
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 99
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 101
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
45deg y altura de 10 m en CH MH y CL 103
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
60deg y altura de 10 m en CH MH y CL 104
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
75deg y altura de 10 m en CH MH y CL 106
10
GLOSARIO
Asentamientos deformacioacuten de un suelo
Asentamientos inmediatos causado por la deformacioacuten elaacutestica del suelo la
cual ocurre en estados del suelo saturado seco o huacutemedo
Asentamientos por consolidacioacuten es el cambio de volumen en suelos
cohesivos saturados debido a la expulsioacuten del agua que ocupan los poros Los
suelos cohesivos saturados son suelos arcillosos los cuales dependen de la
permeabilidad que contenga el suelo
Asentamientos por compresioacuten secundaria parte de una deformacioacuten que ya
sucedioacute y ocurrioacute con un esfuerzo efectivo constante con ninguacuten cambio de agua
en los poros siendo dependiente del tiempo esto ocurre por el reajuste del suelo
Colapso disminucioacuten raacutepida de volumen del suelo producida por el aumento de
los siguientes factores contenido de humedad grado de saturacioacuten tensioacuten
mediante actuante tensioacuten de corte y presioacuten de poros
Cohesioacuten es la atraccioacuten entre partiacuteculas originada por fuerzas moleculares y
peliacuteculas de agua Por lo tanto la cohesioacuten de un suelo variaraacute si cambia el
contenido de humedad esta propiedad se mide en kgcm2
Criterio de falla se da cuando en una familia de facetas de la tensioacuten alcanza
una inclinacioacuten criacutetica (f) con la normal a la faceta La ruptura seraacute cuando la
tensioacuten tangencial alcanza el valor mayor de esfuerzos cortantes
Expansioacuten la alteracioacuten de las condiciones naturales de una arcilla que
11
produzcan cambios en el contenido de agua esta se integra con la estructura
laminar de la arcilla y si estaacute confinado presentara una elevacioacuten en las presiones
internas del material
Factor de seguridad es empleado para comprender cuaacutel es el factor de que el
talud falle en las peores condiciones de comportamiento Fellenius (1927)
presentoacute el factor de seguridad como la relacioacuten entre la resistencia al corte real
calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte criacuteticos que tratan de
producir la falla a lo largo de una superficie supuesta
Friccioacuten es la resistencia al deslizamiento causado por la friccioacuten existente entre
las superficies de contacto de las partiacuteculas y su densidad de tal manera que es el
aacutengulo cuya tangente es la relacioacuten entre la fuerza que resiste el deslizamiento a
lo largo de un plano y fuerza normal aplicada a este plano
Geomecaacutenico implica el estudio geoloacutegico del comportamiento del suelo y las
rocas
Grietas de contraccioacuten fisuras relativamente anchas respecto a la longitud que
se abren cuando se contrae el suelo o una roca Su formacioacuten constituye un
fenoacutemeno caracteriacutestico de los suelos arcillosos que al descascararse forman una
red poligonal de las grietas de retraccioacuten
Grietas en cuntildea son verticales y son producidas en regiones friacuteas que se
encuentran formadas tras la congelacioacuten raacutepida del suelo
Hinchamiento separacioacuten de las laacuteminas que componen las arcillas por la
absorcioacuten de agua en el espacio inter-laminar
12
Iacutendice de plasticidad diferencia numeacuterica entre el Limite Liquido y el Limite
Plaacutestico Define el campo plaacutestico de un suelo y representa el porcentaje de
humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plaacutestico
Inestabilidad desequilibrio fluctuacioacuten e inconsistencia de un terreno cuando es
afectado por agentes externos
Limite liacutequido es el contenido de agua expresado en porcentaje respecto al
peso del suelo seco que delimita la transicioacuten entre el estado liacutequido y plaacutestico de
un suelo remoldeado o amasado
Liacutemite de contraccioacuten contenido de humedad por debajo del cual se produce
una reduccioacuten adicional de volumen o contraccioacuten en el suelo
Ladera declive lateral de un terreno cuya pendiente se conforma a traveacutes del
aacutengulo que se formoacute con la horizontal
Sensitividad proporcioacuten de la resistencia a compresioacuten simple en estado
inalterado entre la del estado remoldeado
Sensibilidad de paraacutemetros geoteacutecnicos es el anaacutelisis del comportamiento de
las propiedades que influyen en la estabilidad de taludes
Suelo parte superficial de la corteza terrestre bioloacutegicamente activa que proviene
de la desintegracioacuten o alteracioacuten fiacutesica
Suelos colapsables son los suelos que presentan un cambio de relacioacuten entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia uacuteltima
del material A este grupo pertenecen las arcillas cementadas los limos y rocas
13
de gran porosidad
Suelo expansivo es un tipo de suelo capaz de producir un aumento de volumen
en relacioacuten con los cambios de humedad que puedan llegar a presentarse Dichos
materiales tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla
debido a su estructura
Suelos desmoronables suelos en los que sin la presencia o cambio de
condiciones son capaces de producir colapso donde no existe un cambio abrupto
en relacioacuten presioacuten-deformacioacuten La saturacioacuten produce un cambio volumeacutetrico
debido al incremento de presioacuten de poros que origina la resistencia al corte del
suelo
Talud porcioacuten de tierra elevada de dimensiones variables generalmente
rematando por una cuneta y caracterizado por una vegetacioacuten especiacutefica Dicho
elemento es construido con el tiempo pero tambieacuten puede ser producto de la
ejecucioacuten realizada con una construccioacuten artificial con tierra o piedra de tal
manera que es conformada con cualquier superficie inclinada respecto a la
horizontal
Terreno porcioacuten de espacio generalmente plano de tierra en el cual no se tiene
nada construido de tal manera que se trata de un aacuterea en la que no existe un
edificio o algo que cubra la superficie del mismo
14
INTRODUCCIOacuteN
Uno de los problemas caracteriacutesticos de la ingenieriacutea civil es la estabilidad de
taludes ya que los suelos presentan comportamientos dependiendo de la
estructura que lo componen y de los factores tanto extriacutensecos como intriacutensecos
generando movimiento de tierras que pueden terminar siendo generadores de
procesos de remocioacuten en masa como deslizamientos debidos a fallas rotacionales
o traslacionales o caiacutedas de rocas y detritos generando afectaciones socio-
econoacutemicas a la regioacuten Por ello es importante abordar temas como la estabilidad
de taludes en suelos expansivos como lo son la arcilla de alta plasticidad (CH)
arcilla de baja plasticidad (CL) y limo de alta plasticidad (MH) con el fin de
identificar el comportamientos de dichos suelos ante variables geomeacutetricas de
nivel freaacutetico y sismo A partir de las propiedades geomecaacutenicas de los suelos
expansivos en estudio se modelan los taludes de los diferentes perfiles
estratigraacuteficos con la correspondiente asignacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos
por medio del software Slide reg en el que al variar las condiciones de sismo y
contenido de agua se analiza la influencia que tienen en el factor de seguridad del
talud
La escasez de informacioacuten en el tema del comportamiento de suelos expansivos
genera la importancia necesaria para estudiar y analizar el tema a profundidad
creando herramientas dirigidas a ingenieros civiles tanto en campo como en
oficina para disentildeos oacuteptimos de taludes
15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El territorio colombiano presenta variedad de suelos expansivos por su
complejidad en el comportamiento mecaacutenico se hace necesario conocer la
inestabilidad que pueden presentar principalmente este tipo de suelos1 Es asiacute
como en varias zonas de Colombia se evidencian climas friacuteos-secos lo que
ocasiona una condicioacuten de sequedad que hace que algunos tramos en los taludes
presenten caracteriacutesticas de suelos expansivos2 que se caracterizan por tener
liacutemites miacutenimos y maacuteximos de contenido de humedad entre los cuales se
presenta la expansioacuten y contraccioacuten
De esta manera se identifica que los suelos compuestos por arcillas y limos que
son capaces de retener gran cantidad de agua debido a su estructura este
proceso induce a movimientos que generan grietas y asentamientos del terreno
afectando directamente el comportamiento del suelo problema que se acusa con
los cambios estacionales debido a los ciclos de humedecimiento-secado asiacute
como la ascensioacuten de nivel freaacutetico3 de tal manera que esto presenta un riesgo
para los usuarios de las viacuteas que presentan esta tipologiacutea de material Otra de las
amenazas se identifica cuando ocurre un sismo debido a que estos suelos
tienden a transmitir las ondas del sismo con rapidez y amplitud lo que llega a
generar colapso del talud4
1 MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos
ambientalespg371 2 LEOacuteN SICARD Tomas Enrique Estado del Recurso del Suelo [en liacutenea]
lthttpwwwunperiodicounaleducodperarticleagroquimicos-envenenan-suelos-en-colombiahtmlgt [Citado en 9 de noviembre de 2013] 3ASEFA Patologiacuteas por arcillas expansivas Naturaleza y comportamiento [en liacutenea]
lthttpwwwconcretonlinecomindexphpoption=com_contentampid=3179ampItemid=27gt [citado en 5 agosto del 2015]
4CINNA LOMNITZ Las causas probables de la cataacutestrofe siacutesmica del 19 de septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica
UNAM Ciencia y desarrollo septiembreoctubre 1988 Vol XIV Nuacutem 82 CONACYT
16
Es asiacute como en varios lugares se han reportado movimientos en masa como
deslizamientos y fallas rotacionales en los cortes realizados en laderas debido a
la inestabilidad generada por los materiales de los que se encuentran compuestos
los suelos5
Debido a lo anterior se requiere hacer un estudio a los suelos expansivos los
cuales se identifican mineraloacutegicamente con la determinacioacuten de propiedades
baacutesicas tambieacuten a traveacutes de meacutetodos indirectos del potencial expansivo y
medidas directas de la expansioacuten esto con el fin de observar las caracteriacutesticas
geomecaacutenicas en la ejecucioacuten de taludes seguacuten los factores baacutesicos miacutenimos
descritos en la norma sismo resistente (NSR-10) Titulo H241
Es importante conocer iquestCuaacutel es el comportamiento de los paraacutemetros
geomecaacutenicos de taludes compuestos por suelos expansivos ante variables de
nivel freaacutetico geomeacutetria y sismo
5SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47 regionales [en liacutenea]
lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
17
2 ANTECEDENTES
Uno de los temas de mayor intereacutes en la Ingenieriacutea Civil es la estabilidad del
suelo debido a sus inesperados y diferentes comportamientos para los cuales se
hace necesario el estudio y anaacutelisis taludes con el fin de lograr estabilidad y
factores de seguridad oacuteptimos cuando se encuentran compuestos por suelos
expansivos
Se han presentado diferentes casos en donde se vuelve indispensable realizar
una caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes para el anaacutelisis de la vulnerabilidad
que tiene un sitio referente a un talud en donde se cuenta con aspectos que
definen la amenaza asociada valores encontrados para la vulnerabilidad fiacutesica6
metodologiacutea para la cual se determina el riesgo asociado a dicha vulnerabilidad
En torno a este tema en particular la mayoriacutea de las investigaciones trabajan de
forma aislada la amenaza la vulnerabilidad y no evaluacutean en forma precisa el
riesgo por la accioacuten de procesos de remocioacuten en masa que desestabilizan los
taludes con base en el esquema de la caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes es
posible desarrollar una metodologiacutea que evaluacutee el riesgo asociado a inundaciones
sismos vientos o realizar una metodologiacutea integral que involucre todas esas
variables7
En Colombia se presentan casos diversos de falla en viacuteas un ejemplo es la falla
que ocurrioacute en la viacutea Manizales ndash Mariquita Tramo 5006 Debido a la inadecuada
entrega de la alcantarilla presente en ese sitio esto produjo socavacioacuten en el talud
inferior de la viacutea quitaacutendole el soporte al muro ocasionando su volcamiento Ello
6 HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y vulnerabilidad Fiacutesica por taludes y laderas inestables
en la micro Cuenca de la quebrada Cay Ibagueacute Universidad del Tolima Departamento del Tolima Maestriacutea en
planificacioacuten y manejo ambiental de cuencas 2013 pg 119
7 ibiacuted p 119
18
acelero la rotura de un acueducto veredal que satura el relleno causando paso
restringido de vehiacuteculos a un solo carril8 El objetivo de este estudio fue identificar
las diferentes formas de estabilizacioacuten y plantear la solucioacuten definitiva
correspondiente a un sistema de estructura que consta de pilotes metaacutelicos
generando estabilizacioacuten del talud
La Universidad Nacional incluye en un estudio realizado como parte de la
caracterizacioacuten fiacutesica algunas teacutecnicas para el anaacutelisis de la composicioacuten
mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y propiedades
iacutendice en las arcillas de Barranquilla En donde se tomoacute como base el cambio
volumeacutetrico descrito en la mayoriacutea de investigaciones y como aporte al
conocimiento del comportamiento expansivo de las arcillas del distrito de
Barranquilla (Colombia) con desarrollo de un programa experimental orientado a
caracterizar sus propiedades fiacutesicas micro-estructurales y de comportamiento
geoteacutecnico en muestras naturales inalteradas La caracterizacioacuten fiacutesica incluye
composicioacuten mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y
propiedades iacutendice la microestructura de muestras naturales se analiza
cualitativamente usando teacutecnicas microscoacutepicas (oacuteptica y electroacutenica de barrido) y
deducciones indirectas a partir de curvas de retencioacuten de agua (CRA) por uacuteltimo
el comportamiento geomecaacutenico se enfoca en el estudio del cambio volumeacutetrico
en condiciones de humedecimiento - saturacioacuten y procesos de carga ndash descarga9
Alliacute se concluyoacute que el potencial de expansioacuten colapso bajo carga no depende
exclusivamente de la carga vertical aplicada antes de la saturacioacuten sino de las
condiciones de faacutebrica y succioacuten inicial del material esto difiere en lo que se
encuentra en estudios realizados en la zona10
8 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de
Campoalegre ndash Ciudad de Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
9 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
10 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
19
Se han desarrollado variedad de estudios sobre el comportamiento de suelos
expansivos como ejemplo el libro Expansive Soils editado por Amer Ali Al-Rawas
ampMattheus FA Goosen en el cual se describen avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento de suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar inconvenientes causados por la presencia de
los mismos en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada por la
expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten que presentan
debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel freaacutetico Se analizoacute el efecto
de las teacutecnicas de remoldeo en el hinchamiento de suelos y las propiedades de las
fuerzas de cizallamiento que se presentan en los resultados de los efectos de
meacutetodos sobre la presioacuten por oleaje en el suelo resistencia a la compresioacuten
inconfinada Para lo cual se tomaron tres tipos de suelos CH CL y ML con
muestras inalteradas que fueron seleccionadas en la zona norte de Jordania con
una amplia gama de contenido de arcilla
Las propiedades fiacutesicas de estos suelos incluyendo la gradacioacuten el liacutemite plaacutestico
y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco maacuteximo y el
contenido oacuteptimo de agua se obtienen a traveacutes de las especificaciones con las
que cuentan las normas ASTM Las muestras de suelos perturbados y no
perturbados se obtuvieron de los lugares descritos en el paacuterrafo anterior y fueron
probadas en el laboratorio de mecaacutenica de suelos en Jordan Universidad de
Ciencia y Tecnologiacutea Los especiacutemenes remoldeados estaban preparados para la
compresioacuten inconfinada y los ensayos de hinchazoacuten utilizando tres teacutecnicas de
remoldeo dinaacutemicas estaacuteticas y amasado Esto con el fin de lograr un estudio en
el potencial de hinchamiento de ese tipo de suelos ante los diferentes ensayos La
evaluacioacuten de la presioacuten debida a la hinchazoacuten la inflamacioacuten potencial y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada se vio afectada por el meacutetodo de
remodelacioacuten
20
Por lo tanto de este ensayo se concluyoacute que las muestras inalteradas obtienen
valores altos de presioacuten de hinchamiento la remodelacioacuten dinaacutemica tuvo los
valores maacutes altos de la hinchazoacuten y la compresioacuten inconfinada seguido por la
fuerza estaacutetica y el remoldeo por amasado respectivamente de esta manera se
observa que el contenido inicial de agua afecta tanto a la presioacuten de la hinchazoacuten
como a la resistencia a la compresioacuten inconfinada
De esta manera se encuentra el desarrollo de otro estudio ejecutado en el libro de
Expansive Soils en donde se describe una serie completa de pruebas referidas a
la compresioacuten no confinada (UC) no consolidado no drenado (UU) triaxiales y
columna resonante (RC) se realizaron sobre muestras estabilizadas
quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del sureste de Arlington Texas
despueacutes de haber sido sometido a ciclos (WD) repetidos de humectacioacuten-secado
inducido artificialmente en el laboratorio los cuales arrojaron unos resultados que
se utilizaron para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo plazo la
rigidez el efecto de hincharse y su continua contraccioacuten brindoacute respuesta del
suelo tratado incluyendo resistencia a la compresioacuten no confinada sin olvidar
resistencia al corte moacutedulo de corte dinaacutemico y material de amortiguacioacuten Se
utilizoacute meacutetodos de estabilizacioacuten que incluyen sulfato resistente cemento Tipo V
baja en calcio clase F mosca ceniza cal viva mezclaacutendolas con fibras de
polipropileno Muestras de suelo que se trataron y fueron curadas durante 7 diacuteas y
despueacutes se sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la UC UU y RC
la prueba Un ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua
potable en la sala de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a
140 F Encargoacute caacutemaras wd que permiten el monitoreo de 1-D al hincharse y
encogerse siendo esta la respuesta durante wd repetido Una dosis -por peso del
10 de cemento Tipo V el cual brinda mejor rendimiento general bajo realizado
con el ensayo de la resistencia al corte sin drenaje En donde se halloacute que Las
cenizas presentan malos resultados en comparacioacuten a todos los estabilizadores
21
con una simultaacutenea disminucioacuten de la c y bajo continuo w - d Aunque los valores
de fibras de cal suelo tratado tienden a aumentar con wd repetido Sin embargo
todos los suelos tratados superaron suelo natural despueacutes de 32 ciclos wd con el
tipo del 10 V suelo con cemento tratado mostrando un mejor rendimiento c-
De tal manera que la presencia de agua en este tipo de suelos los hace menos
resistencia a el ensayo de compresioacuten a fuerzas cortantes o de cizallamiento
debido a que alteran su estructura interna generando comportamientos
inadecuados para el cuerpo ingenieril debido a que se veraacuten afectadas las
construcciones realizadas sobre los mismos de esta manera seraacute necesario hacer
un tratamiento de estabilizacioacuten para proveer caracteriacutesticas mecaacutenicas
apropiadas de los suelos expansivos 11
11
Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos
y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
22
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos
por suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos
23
4 JUSTIFICACIOacuteN
Los suelos expansivos presentan algunas propiedades que pueden llegar a
generar variaciones en el comportamiento del suelo como los cambios
volumeacutetricos en presencia o ausencia de agua produciendo expansioacuten y
contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad portante y resistencia al corte
cuando se incrementa el contenido de agua
Al realizar cortes en laderas se presenta un cambio en la condicioacuten de resistencia
inicial del material lo que genera inestabilidad y un inminente riesgo el
comportamiento del suelo se analiza a traveacutes de la sensibilizacioacuten de paraacutemetros
que conduce a la mejora del factor de seguridad con respecto al disentildeo debido a
esto se llevoacute a cabo una comparacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes
los cuales brindaron soluciones oacuteptimas para el disentildeo de los mismos en suelos
expansivos
Es importante realizar el estudio de suelos expansivos y su comportamiento en
taludes ya que este tipo de suelos generan desplazamientos de materiales
Debido a que los suelos se hidratan y se hinchan estas condiciones se presentan
naturalmente tanto en eacutepocas de lluvia y en eacutepocas de sequia
Los riesgos que presenta en un proceso de estos son
Asentamientos en muros y cimientos
Deformacioacuten en los pavimentos y aceras
Movimientos de laderas
Roturas de cantildeerias y drenajes
Aparicioacuten de cavidades por disolucioacuten de sales
24
La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento de paraacutemetros
geomecaacutenicos en taludes ante variables de afectacioacuten para lo cual se realizan
aacutebacos que permitan identificar la manera en la que se ven afectados dichos
taludes y asiacute predecir su comportamiento por medio de programas de modelacioacuten
para el disentildeo de taludes con el fin de encontrar el factor de seguridad de disentildeo
y obtener las condiciones necesarias para la construccioacuten del mismo pensando en
el beneficio de la poblacioacuten
25
5 MARCO REFERENCIAL
El trabajo estaacute basado en la presentacioacuten de anaacutelisis sobre el comportamiento de
suelos expansivos en taludes con el fin de observar la inestabilidad del terreno el
cual se manifiesta mediante desplazamientos implicando ruina total o parcial de
sitios aledantildeos en donde se presenta este tipo de procesos de remocioacuten en masa
Este anaacutelisis conduce a un estudio referente a propiedades de los suelos que son
importantes las cuales generan cambios volumeacutetricos en presencia o ausencia de
agua produciendo expansioacuten y contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad
portante y resistencia al corte cuando se incrementa el contenido de agua
Es necesario tener presente conceptos como la composicioacuten y comportamiento
mecaacutenico de suelos expansivos que componen taludes asiacute mismo la afectacioacuten
que pueden generar estos suelos cuando son intervenidos por sismo y lluvia
Para el desarrollo de lo anterior se llevaraacute a cabo la presentacioacuten de los conceptos
tales como arcillas expansivas deslizamientos procesos de remocioacuten en masa
sensibilidad de paraacutemetros y anaacutelisis determiniacutestico
51 MARCO CONCEPTUAL
En el marco conceptual se establecen conceptos relacionados con la
investigacioacuten sobre la presencia de suelos expansivos como arcillas de baja alta
plasticidad y limos de alta plasticidad en taludes debido a que estaacute clase de
suelos tienen caracteriacutesticas de respuestas y comportamientos de expansioacuten y
contraccioacuten asociadas al humedecimiento y secado Por lo tanto la descripcioacuten
de estos comportamientos requiere el uso de un marco conceptual que incorpore
aspectos de anaacutelisis determiniacutesticos y meacutetodos de anaacutelisis con respecto al
comportamiento geomecaacutenico
26
Suelos Expansivos 511
Material susceptible que genera cambios de volumen los cuales se encuentran
directamente relacionados con cambios de humedad o variacioacuten con respecto al
contenido de agua La estructura del material retiene grandes cantidades de agua
lo que puede producir un aumento de volumen notorio12
El contenido de humedades un factor importante cuando se habla de la expansioacuten
de un suelo esto se presenta solo en los suelos expansivos como se observa en
la figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander cuando existen
variaciones climaacuteticas que influyen directamente en el comportamiento
generando grietas en el suelo13
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander
Fuente httpgooglaVWI0V
12
INGSPATRONE J amp PREFUMO JE La accioacuten de los suelos expansivos sobre las cimentaciones meacutetodos de
prevencioacuten y control Paacuteg 1-16[en
linea]lthttpwwwumeduuy_upload_descargaweb_descarga_204_AccindesuelosexpansivosAntildeo 2004gt[citado en 5 de
agosto del 2015]
13 Ibidp12
27
5111 Identificacioacuten de suelos expansivos
Los suelos expansivos se identifican de manera visual por varias caracteriacutesticas
tienen alta plasticidad si se observan en el terreno se encontraraacuten grietas
ocasionadas por la expansioacuten y contraccioacuten constante que sufre dicha superficie
esto se presenta cuando hay variacioacuten de humedad14
La identificacioacuten mineraloacutegica es una de las principales formas por las cuales se
ubican los suelos expansivos debido a que los meacutetodos maacutes recomendados son
difraccioacuten de rayos x anaacutelisis teacutermico diferencial anaacutelisis quiacutemico absorcioacuten de
tinte y la microscoacutepica electroacutenica Las cuales consisten en detectar la presencia
de minerales arcillosos que resultan expansivos15
5112 Ensayos de identificacioacuten de suelos expansivos
Es necesario ejecutar una valoracioacuten frente al comportamiento que puede llegar a
presentar un suelo con presencia de arcillas y limos cuando es sometido a
diferentes situaciones donde se ve alterada su composicioacuten de tal manera que
los diferentes ensayos permiten hacer un acercamiento de lo que sucede en la
realidad y especialmente en casos donde el suelo presenta humedad La tipologiacutea
y descripcioacuten de este tipo de ensayos se presenta en la tabla 1 Ensayos y
laboratorios en suelos descrita a continuacioacuten
14
INGSPATRONE Jamp PREFUMO JE Opcit1-16
15Ibid p1-16
28
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos
ENSAYOS Y LABORATORIOS
DESCRIPCIOgraveN
Hinchamiento Libre
Se humecta el suelo permitiendo una expansioacuten vertical
de una probeta por lo que el confinamiento lateral impide
la deformacioacuten lateral se realiza sobre muestras
inalteradas saturadas
Determinacioacuten de la presioacuten maacutexima del
hinchamiento
Impide la expansioacuten vertical al aplicar tensioacuten vertical
necesaria que compensa dicho hinchamiento se realiza
sobre muestras inalteradas Y saturadas
Ensayo de Lambe
Consiste en la preparacioacuten de una probeta de suelo que
se compacta en condiciones estandarizadas de humedad
inicial de tal manera que se impide una expansioacuten lateral
confinaacutendola en un anillo Una vez producida la
inundacioacuten de la ceacutelula se determina la tensioacuten maacutexima
de tensioacuten mediante un anillo dinamomeacutetrico con el
bastidor quienes se encargan de ejercer la reaccioacuten ante
la fuerza de expansioacuten que manifiesta la muestra al
hinchar El valor de esta tensioacuten maacutexima de hinchamiento
permite una clasificacioacuten cualitativa del material en
funcioacuten de ciertos grados de expansividad
Ensayo de volumen de sedimentacioacuten
Este criterio fue dado por Holtz y Gibbs el cual se utilizaba
para averiguar el potencial de hinchamiento de un suelo
consiste en depositar 10 cm3 de suelo seco que pase por
el tamiz Nordm40 en un cilindro graduado con 100 cm3 de
agua y se observa el aumento del volumen de la muestra
una vez sedimentada debido al hinchamiento dio
resultado se expresa en porcentaje de aumento de
volumen respecto al volumen inicial del suelo
Liacutemite Liacutequido
Es el contenido de humedad para el cual el suelo pasa
de un estado liacutequido a plaacutestico el ensayo que permite
determinar el liacutemite liquido consiste en colocar diferentes
muestras de suelo con humedad variable en un
recipiente o taza metaacutelica accionada por medio de una
manivela que se encarga de levantarla y dejarla caer
29
Fuente compilacioacuten propia tomado de Ensayos sobre suelos expansivos[en
liacutenea]lthttpwwwestudiosgeotecnicosinfoindexphpensayos-laboratorio-suelos-expansivosgt [citado en 5 de agosto del
2015]
Liacutemite liacutequido
repetidas veces Antes de inicia el ensayo se realiza una
ranura de diferentes dimensiones con una espaacutetula
contando el nuacutemero de golpes con el fin de que la ranura
quede frac12 pulgada cerrada Dichos datos se grafican y
cuando la curva obtenida corta la liacutenea correspondiente a
los 25 golpes se considera este valor como el limite
liquido del suelo
Liacutemite Plaacutestico
Es el contenido de humedad para el cual se cambia del
estado plaacutestico al semisoacutelido de tal manera que en el
estado plaacutestico el suelo es semi moldeable mientras que
en el semisoacutelido se agrieta amoldaacutendose El limite plaacutestico
queda definido cuando el suelo contiene justo la humedad
necesaria para que al amasar manualmente bastoncitos
de 03 cm estos no se agrieten y se rompan
Liacutemite de Retraccioacuten
Este liacutemite queda determinado por la miacutenima cantidad de
agua necesaria para llenar los poros de una muestra de
suelo seco a este liacutemite corresponde el menor volumen de
la masa del suelo determinado por la frontera entre el
estado soacutelido y semisoacutelido En las arcillas este liacutemite
alcanza el 5 y el 10 lo que indica que la capacidad
portante se incrementa a medida que disminuye el
porcentaje de humedad
Ensayo de Triaxial
A traveacutes de esta prueba se identifican las propiedades
de tensioacuten- deformacioacuten del suelo en este ensayo una
muestra de suelo ciliacutendrica normalmente con una
relacioacuten de altura-diaacutemetro se somete a dos
incrementos de tensioacuten axial y radial dicha muestra se
encuentra protegida con una membrana y las tensiones
radiales son impuestas por una presioacuten de confinamiento
en todas sus caras Los esfuerzos axiales son impuestos
por un vaacutestago que penetra la caacutemara de confinamiento
hasta que se produce la rotura
30
De esta manera se hace necesario identificar los tipos de deslizamientos que se
presentan en taludes los cuales generan un proceso de remocioacuten en masa
afectando de manera directa la poblacioacuten a niveles sociales econoacutemicos entre
otros identificados en la tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Fuente Compilacioacuten propia del libro de Suarez Jaime Diacuteaz Deslizamientos y estabilidad de taludes
31
ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL
BLANDO
ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES
TIPO IMAGEN
MATERIAL HOMOGENEO
MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
Seguacuten la composicioacuten y estructura del talud se produce un tipo deslizamiento esto
puede observarse en la tabla 3Efectos de la estructura en la formacioacuten de
deslizamientos de rotacioacuten donde se describe el efecto del deslizamiento
causado seguacuten la estructura del talud
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten
32
Por lo tanto Los paraacutemetros geomecaacutenicos son elementos necesarios que ayudan
a la comprensioacuten del anaacutelisis con respecto al comportamiento del suelo en el
presente trabajo se hace el estudio de los paraacutemetros descritos en la tabla 4
Paraacutemetros geomecaacutenicos
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Conociendo los paraacutemetros geomecaacutenicos que componen cada uno de los suelos
se identifica el concepto de remocioacuten en masa el cual es el desplazamiento de
grandes voluacutemenes de material superficial descrito de manera detallada en la
tabla 5Procesos de remocioacuten en masa
PARAacuteMETRO CONCEPTO ECUACIONES DESCRIPCIOacuteN
DENSIDAD
Relacioacuten entre la unidad de peso y la unidad de
voluacutemen de la fase soacutelida del suelo siendo maacutes o
menos constante ya que estaacute determinado por la
composicioacuten quiacutemica y mineraloacutegica de la fase
soacutelida
ρ=mV
ρ= densidad
m= masa
V= volumen
PESO ESPEacuteCIFICO
Se definen peso especiacutefico relativo a la relacioacuten entre
el peso especiacutefico de una sustancia y el peso
especiacutefico del agua destilada a 4 grados centigrados
sujeta a una atmoacutesfera de presioacuten
Pc=pV
Pc= Peso especigravefico
P=Peso
V= volumen
CARACTERISTICAS
ESTRUCTURALES
Se refiere a la orientacioacuten de las discontinuidades
tamantildeo y forma de rocas espaciado grado de
fracturacioacuten del macizo rocoso aacutengulo de inclinacioacuten
No aplica
EFECTO DEL AGUA
La estabilidad del talud y resistencia al cizallamiento
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos
33
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa
Fuente Ajustado de httpjulsgeoambientaljimdocomportafolioremocioacuten en masa
Es asiacute como el subsuelo o sustrato es la capa de suelo debajo de la capa
superficial de la tierra El cual incluye sustancias como arcilla yo arena que soacutelo
han sido parcialmente desglosadas por aire luz solar agua viento etc para
producir suelo verdadero Debajo del subsuelo estaacute el sustrato que puede
ser rocoso de sedimentos o depoacutesitos eoacutelicos en gran medida afectados por
factores formadores de suelo activo en el subsuelo El subsuelo contiene
LITOLOacuteGICOS ESTRUCTURALES TOPOGRAacuteFICOS ANTROacutePICOS TECTOacuteNICOS CLIMAacuteTICOS
El material superficial
se encuentra suelto y
puede ser removido
con facilidad en una
ladera por efecto de la
presioacuten de una
cantidad de agua
necesariamente si
bajo este material
superficial existe roca
consolidada e
impermeable
En el relieve se
presentan grietas o
diaclasas juntas que
por efecto de la
meteorizacioacuten fiacutesica
quiacutemica o bioloacutegica
provocan el
desmenuzamiento o
descomposicioacuten de
las rocas
Existen laderas de
montantildeas de colinas
con pendiente
abruptas o de terrenos
muy inclinados
En aacutereas con
pendientes
fuertemente taladas
(deforestadas) por el
hombre el material
superficial queda
expuesto a la
intemperie
Las ondas siacutesmicas
provocan el
desplazamientode
materiales
superficiales o de
unidades maacutes
importantes del relieve
como puede ser un
aacuterea accidentada o
no
Caen fuertes
precipitaciones o
caen de manera
continua provocan
deslizamientos sea
por aumento de
sobrecarga o por
cambios extremos en
las temperaturas las
cuales quiebran los
mantos rocosos
Es el desplazamiento de grandes voluacutemenes de material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por accioacuten directa de la fuerza de
gravedad hasta volver a encontrar un nuevo punto de reposo Los movimientos de masa se presentan sobre todo en la eacutepoca lluviosa o
durante una actividad siacutesmica
PROCESOS DE REMOCIOacuteN EN MASA
Se produce porque la fuerza actuante (sobrecarga) que es originada normalmente por el agua ejerce una presioacuten hacia abajo que rompe el
equilibrio existente hasta ese momento la gravedad proporciona la energiacutea adicional requerida para que se produzca el movimiento
descendente En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve se origina fundamentalmente por los movimientos siacutesmicos
FACTORES
CONCEPTO
ORIGEN
MOVIMIENTOS COMUNES
Formacioacuten de una superficiede ruptura recta o
curvada a partir de la cual se desplaza toda la
porcioacuten de terreno separada del conjunto con
la misma velocidad en todas sus partes
conservando su estructura y forma original
DESLIZAMIENTOS REPTACIOacuteN
Movimiento lento del suelo yo de detritos
rocosos cuesta abajo por lo general no
perceptible que afecta la parte superficial de
la ladera la capa de suelo y en algunos casos
la parte superior de la roca alterada Causas
lluvias o de fusioacuten de nieves que saturan los
suelos en ambientes huacutemedos y sobre
laderas con pendientes moderadas
DERRUMBAMIENTO
Incluye movimientos y caida directa de
material rocoso de variable dimensiones
Son causados por La fuerza gravitacional de
la tierra Grado e inestabilidad de fracturas de
la roca Efecto de meteorizacioacuten Efectos de
congelamiento del agua en las fracturas
34
partiacuteculas parcialmente degradadas por lo general de un tono maacutes claro de color
marroacuten o amarillo y contiene las raiacuteces profundas de las plantas grandes como los
aacuterboles
Existen diferentes meacutetodos de exploracioacuten para tomar muestras alteradas e
inalteradas
Una muestra alterada es aquella que estaacute constituida por material
disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales
para conservar las caracteriacutesticas de estructura y humedad in situ no
obstante en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua
original del suelo para lo cual las muestras se envasan en recipientes
impermeables y se transportan de forma que esteacuten protegidas de los
agentes atmosfeacutericos Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de
suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice y preparar especiacutemenes
compactados para someterlos a pruebas mecaacutenicas (SAHOP 1974)
Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura no
sufre de alteraciones quiacutemicas ni de humedad es decir conserva las
propiedades que teniacutea in situ Estas muestras se utilizan en el laboratorio
para identificar el tipo de suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice
y mecaacutenicas16
Las muestras inalteradas se obtendraacuten de suelos finos que pueden labrarse sin
que se disgreguen La obtencioacuten puede efectuarse en el piso o en las paredes de
una excavacioacuten como en un pozo a cielo abierto en la superficie del terreno
natural o en la de una terraceriacutea La excavacioacuten para obtener una muestra deberaacute
16Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015]
35
ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extraccioacuten de
la misma Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo
en su estado natural por lo que su obtencioacuten empaque y transporte requieren
cuidados especiales a fin de no alterarlas Las muestras deben ser identificadas
claramente Las superficies que esteacuten expuestas deben ser protegidas con
material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que
amortiguumlen las vibraciones que pudiera sufrir 17
5113 Problemas de los suelos expansivos en taludes y laderas ante
solicitaciones
Los terrenos con pendiente pronunciadas son aquellos que tienen susceptibilidad
ante fenoacutemenos como lo son los deslizamientos amplificacioacuten siacutesmica entre
otros18
Un sismo en materiales expansivos brindaraacute una respuesta dinaacutemica generada
por los suelos esto dependeraacute de las condiciones del esfuerzo de confinamiento y
del nivel de deformacioacuten que presenten los materiales de esta manera el suelo
no disipara energiacutea por poco amortiguamiento y la degradacioacuten a traveacutes de los
ciclos seraacute pequentildea lo cual indica una respuesta elaacutestica lineal Es asiacute como a
grandes deformaciones el suelo disipa mayor energiacutea por alto amortiguamiento y
la presioacuten de poro iguala el esfuerzo efectivo de confinamiento producieacutendose un
deterioro del suelo y por consiguiente la peacuterdida de resistencia por lo tanto la
respuesta es no lineal donde la rigidez decrece con el nuacutemero de ciclos19
17
Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015] 18
Criterio para calificar los suelos con fines urbanos [en liacutenea]lt httpesslidesharenetcarlosjcamachopresentacin-
de-la-materia-3742687gt [citado en 3 de octubre del 2009] 19
Comportamiento Dinaacutemico de las Arcillas [en liacutenea]
lthttpwwwptolomeounammx8080jspuibitstream132248521006014A4pdfgt[citado en 2 de enero del 2009]
36
Otro de las solicitaciones que modifican el estado de un talud se refiere a la
cantidad de agua que se infiltre por el suelo debido a que los periodos climaacuteticos
del antildeo se modifican y dependiendo de la cantidad de precipitacioacuten aumentaraacute o
disminuiraacute el nivel freaacutetico es asiacute como los suelos expansivos sufriraacuten aumento o
disminucioacuten de volumen seguacuten la cantidad de agua sea mayor o menor lo que
causara el hinchamiento en eacutepocas de lluvia y retracciones en eacutepoca seca
generando grietas y posterior rotura del suelo
Por consiguiente la gravedad podraacute causar deslizamientos con este tipo de suelos
De esta manera se presentaran perdida de asentamientos en muros y cimientos
deformacioacuten en pavimentos en las aceras movimientos de laderas y aparicioacuten de
cavidades por disolucioacuten de sales
En el caso de las cargas soportadas por suelos expansivos como lo son
pequentildeas zapatas soportando cargas livianas son faacutecilmente levantadas
mientras que cuando las zapatas son de gran tamantildeo y soportan cargas pesadas
no ocurre este proceso20
5114 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Dentro de los meacutetodos de exploracioacuten de suelos existen dos clasificaciones
meacutetodos directos y meacutetodos indirectos En la tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de
suelos se muestra una clasificacioacuten general de los meacutetodos de exploracioacuten maacutes
usuales y una breve descripcioacuten21
20
Villalaz Carlos Crespo Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta edicioacuten MexicoLimusa2004ISBN 968-18-6489-1
21 Tesis Meacutetodos de exploracioacuten de suelos [En liacutenea] lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en
23 de Junio de 2015]
37
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Meacutetodo Descripcioacuten
Meacutetodos
directos
Pozos a cielo
abierto
Es el meacutetodo maacutes satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo
Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse
en eacutel examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer
muestras alteradas e inalteradas Su aplicacioacuten eficiente resulta sobre suelos
cohesivos
Pala
posteadora
Es un meacutetodo manual de exploracioacuten somera que consiste en hincar un barreno y
obtener muestras del tipo alterado pero representativas en cuanto al contenido de
agua Se utiliza en lugares donde otros equipos mecaacutenicos no pueden ser usados
Tubo Shelby Consiste en un tubo afilado de 75 a 10 cm de diaacutemetro que se hincan a presioacuten
para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o
semiduros
Sondeo de
penetracioacuten
estaacutendar
Con esta teacutecnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la
resistencia al corte con el nuacutemero de golpes con el que se hinca el penetroacutemetro
una distancia de 30 cm El equipo consta de un penetroacutemetro el cual se hinca a
golpes mediante un martinete de 635 kg que cae desde 76 cm de alto
Muestreador
Denison
Consiste en dos tubos conceacutentricos que se hinca en el suelo para obtener
muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyeccioacuten de fluido de
perforacioacuten que se hace circular entre ambos tubos
Meacutetodos
indirectos
Meacutetodo
siacutesmico
Consiste en provocar una explosioacuten en un punto determinado del aacuterea a explorar
usando una pequentildea carga de explosivo usualmente nitro amonio Por la zona a
explorar se situacutean geoacutefonos cada 15 oacute 30 cm Este procedimiento se funda en la
velocidad de propagacioacuten de las ondas vibratorias de tipo siacutesmico a traveacutes de
diferentes medios materiales
Meacutetodo de
resistividad
eleacutectrica
Consiste en inducir una corriente eleacutectrica a traveacutes de los suelos de tal forma que
se presente una mayor o menor resistividad eleacutectrica para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo Mayores resistividades corresponden a rocas
duras siguiendo con rocas suaves y asiacute sucesivamente hasta valores menores
correspondientes a suelos suaves saturados
Meacutetodos
magneacuteticos y
gravimeacutetricos
Para el primero se utiliza un magnetoacutemetro que mide la componente vertical del
campo magneacutetico terrestre en la zona considerada en varias estaciones
proacuteximas entre siacute En los meacutetodos gravimeacutetricos se mide a aceleracioacuten del
campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar La informacioacuten
que proveen estos meacutetodos es algo erraacutetica y difiacutecil de interpretar
Fuente Ajustado de httptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdf
38
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 512
Se describen los diferentes meacutetodos de anaacutelisis en taludes con la finalidad de
observar la diferencia entre los mismos e identificar cuaacutel de ellos cumple con la
desarrollo del trabajo en el anaacutelisis del valor de factor de seguridad resumidos en
la graacutefica 2 Meacutetodos de caacutelculo
5121 Meacutetodos de equilibrio liacutemite
Se basan en leyes de la estaacutetica determinando el estado de equilibrio de un
terreno inestable No tienen en cuenta las deformaciones del terreno Suponen
que la resistencia al corte se moviliza total y concordantemente a lo largo de la
superficie de corte Se pueden clasificar en dos grupos
bull Meacutetodos exactos
bull Meacutetodos no exactos
5122 Meacutetodos exactos
El uso de las leyes de la estaacutetica da una solucioacuten exacta al problema Esto soacutelo es
posible en taludes de geometriacutea sencilla como por ejemplo la rotura planar y la
rotura por cuntildeas
5123 Meacutetodos no exactos
En la mayoriacutea de los casos la geometriacutea de la superficie de rotura no permite
obtener una solucioacuten exacta del problema solamente mediante la aplicacioacuten de las
leyes de la estaacutetica El problema es hiperestaacutetico y ha de hacerse alguna hipoacutetesis
previa que permita su resolucioacuten Se pueden tomar los meacutetodos que consideran el
equilibrio global de masa deslizante hoy en desuso y los meacutetodos de las dovelas
o rebanadas que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas
verticales
39
Los meacutetodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en
Meacutetodos aproximados que no cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica
Se pueden nombrar los meacutetodos de Fellenius Janbu y Bishop simplificado
Meacutetodos completos que cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica Los
conocidos son los meacutetodos de Morgenstern-Price Spencer y Bishop
riguroso
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo
Fuente Propia
A traveacutes de los meacutetodos de caacutelculo se desarrollan los meacutetodos de anaacutelisis para
estabilidad de taludes estos son de gran importancia para el desarrollo a nivel
numeacuterico con el fin de identificar que sucede en un talud al cambiar y modificar
ciertos paraacutemetros geomecaacutenicos mostrados dichos meacutetodos en la tabla 7
Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
40
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
Meacutetodo de
tablas o
nuacutemero de
estabilidad
Para los taludes simples homogeacuteneos se han desarrollado tablas que
permiten un caacutelculo raacutepido del factor de seguridad Existe una gran cantidad
de tablas desarrolladas por diferentes autores La primera de eacutestas fue
desarrollada por Taylor en 1966 Desde entonces han sido presentadas
varias tablas sucesivamente por Bishop y Morgenstern (1960) Hunter y
Schuster (1968) Janbuacute (1968) Morgenstern (1963) Spencer (1967)
Terzaghi y Peck (1967) y otros
Meacutetodo del
talud infinito
El meacutetodo del talud infinito es un sistema muy raacutepido y sencillo para
determinar el factor de seguridad de un talud suponiendo un talud largo
con una capa delgada de suelo en el cual cualquier tamantildeo de columna de
suelo es representativo de todo el talud Las suposiciones del meacutetodo del
talud infinito son las siguientes suelo isotroacutepico y homogeacuteneo talud
infinitamente largo y superficie de falla paralela al talud El principal uso del
meacutetodo del talud infinito es la elaboracioacuten de planos de amenaza a los
deslizamientos mediante el uso de SIGS
Meacutetodo del
bloque
deslizante
El anaacutelisis de bloque puede utilizarse cuando existe a una determinada
profundidad una superficie de debilidad relativamente recta y delgada La
masa que se mueve puede dividirse en dos o maacutes bloques y el equilibrio de
cada bloque se considera independientemente utilizando las fuerzas entre
bloques No considera la deformacioacuten de los bloques y es uacutetil cuando existe
un manto deacutebil o cuando aparece un manto muy duro sobre el cual se
puede presentar el deslizamiento
Meacutetodo
Ordinario o
de Fellenius
Conocido tambieacuten como meacutetodo Sueco meacutetodo de las Dovelas o meacutetodo
USBR Este meacutetodo asume superficies de falla circulares divide el aacuterea
de falla en tajadas verticales obtiene las fuerzas actuantes y resultantes
para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de
Seguridad
41
Meacutetodo de
Bishop
Bishop (1955) presentoacute un meacutetodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta
el efecto de las fuerzas entre las Dovelas El meacutetodo simplificado de Bishop
es uno de los meacutetodos maacutes utilizados actualmente para el caacutelculo de
factores de seguridad de los taludes Aunque el meacutetodo soacutelo satisface el
equilibrio de momentos se considera que los resultados son muy precisos
en comparacioacuten con el meacutetodo ordinario
Meacutetodo de
Janbuacute
El meacutetodo simplificado de Janbuacute se basa en la suposicioacuten de que las
fuerzas entre dovelas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de
cortante Janbuacute considera que las superficies de falla no necesariamente
son circulares y establece un factor de correccioacuten fo El factor fo depende
de la curvatura de la superficie de falla Estos factores de correccioacuten son
solamente aproximados y se basan en anaacutelisis de 30 a 40 casos
Meacutetodo de
Spencer
El meacutetodo de Spencer es un meacutetodo que satisface totalmente el equilibrio
tanto de momentos como de esfuerzos El procedimiento de Spencer
(1967) se basa en la suposicioacuten de que las fuerzas entre dovelas son
paralelas las unas con las otras o sea que tienen el mismo aacutengulo de
inclinacioacuten
Meacutetodo de
Morgenstern
y Price
El meacutetodo de Morgenstern y Price (1965) asume que existe una funcioacuten que
relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas Esta
funcioacuten puede considerarse constante como en el caso del meacutetodo de
Spencer o puede considerarse otro tipo de funcioacuten La posibilidad de
suponer una determinada funcioacuten para determinar los valores de las fuerzas
entre dovelas lo hace un meacutetodo maacutes riguroso que el de Spencer22
Adaptado de Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil
Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
22
Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-
Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
42
52 MARCO LEGAL
Para garantizar la viabilidad normativa del presente trabajo este se encuentra
acorde a los requisitos legales y normativos de la actualidad descritos en la tabla
8 Normatividad
Tabla 8 Normatividad
NORMA OBJETIVO
CE020 Estabilizacioacuten de
Suelos y de Taludes
Establecer las consideraciones teacutecnicas miacutenimas para el mejoramiento requerido de la resistencia de suelos y de la estabilidad de taludes
NSR 2010 Titulo H
Establecer criterios baacutesicos para realizar estudios geoteacutecnicos de edificaciones basados en la investigacioacuten del subsuelo y las caracteriacutesticas arquitectoacutenicas y estructurales de las edificaciones con el fin de proveer las recomendaciones geoteacutecnicas de disentildeo y construccioacuten de excavaciones y rellenos estructuras de contencioacuten cimentaciones rehabilitacioacuten o reforzamiento de edificaciones existentes y la definicioacuten de espectros de disentildeo sismo resistente para soportar los efectos por sismos y por otras amenazas geoteacutecnicas desfavorables
NSR 2010 Titulo A2
Establecer los valores de coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva para el disentildeo la cual se encuentra impliacutecita en la tabla A22 del cual se toma el valor 030 en una escala de 005 hasta 050 desde amenaza siacutesmica baja hasta amenaza siacutesmica alta lo que indica que para efecto de anaacutelisis y disentildeo de taludes se debe emplear la aceleracioacuten maacutexima del terreno en donde el coeficiente siacutesmico de disentildeo para anaacutelisis seudo estaacutetico de taludes KST tiene el valor inferior tomando asiacute el valor de 080 de suelos enrocados y macizos fracturados lo que implica ejecutar una operacioacuten matemaacutetica simple con el fin de obtener el valor de Aa adecuado para el disentildeo dinaacutemico del talud el cual es 025
Fuente Propia
43
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO
En este capiacutetulo se evidencia el enfoque que se expuso en el presente trabajo
dejando claras las caracteriacutesticas principales para el desarrollo de modelos que
presentan el factor de seguridad oacuteptimo en suelos expansivos
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN
El enfoque que se empleo es de caraacutecter cuantitativo y cualitativo ya que se tomoacute
como base de trabajo los estudios realizados en diferentes zonas compuestas por
suelos expansivos
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN
Cuenta con una investigacioacuten tipo analiacutetica ya que se desarrolloacute una matriz de
comparacioacuten entre paraacutemetros mecaacutenicos y geoteacutecnicos comunes en los suelos
expansivos en donde se buscoacute valores miacutenimos de factores de seguridad en
relacioacuten a paraacutemetros de resistencia condiciones geomeacutetricas y factores
naturales
63 DISENtildeO MUESTRAL
Para el trabajo se tiene en cuenta un talud con caracteriacutesticas geoteacutecnicas y
geomeacutetricas establecidas en donde ejecutoacute una comparacioacuten del comportamiento
del talud con respecto a valores de factor de seguridad para lo cual se realiza un
anaacutelisis de la poblacioacuten universo muestra individuo y variables descritas a
continuacioacuten
Poblacioacuten universo 631
La poblacioacuten universo de la investigacioacuten se basa en el anaacutelisis de taludes ya que
es el elemento maacutes grande del cual se tomoacute la muestra con el fin de ejecutar un
44
anaacutelisis de paraacutemetros geomecaacutenicos sobre el comportamiento de la presencia
de suelos expansivos frente a las variables correspondientes
Muestra 632
Consiste en 264 modelos ejecutados en SLIDEreg de donde se tienen en cuenta
valores de Ru= 00 025 y 05 con alturas de 10 m y 20 m aacutengulos de inclinacioacuten
de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm asiacute mismo se realizan 120 modelos adicionales en donde la
altura es de 10 m variando el valor de Ru=00 01 025 05 y aacutengulos de
inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm en donde se tiene en cuenta los paraacutemetros
geomecaacutenicos y geomeacutetricos para diferentes tipos de suelos expansivos
correspondientes
CH Arcilla de alta plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con alta
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
mayor de 50 tacto suave23
CL Arcilla de baja plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con baja
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
menor de 50 tacto suave24
MH Limo de alta plasticidad suelo de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse ante su esfuerzo mecaacutenico limite liquido menor de 50
tacto aacutespero25
23
El sistema unificado de clasificacioacuten de los suelos [en liacutenea]lt
ftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt [citado en 3 de noviembre del
2015]
24 Ibiacuted Cuadro 21
25 Ibiacuted Cuadro 21
45
Individuo 633
Taludes con presencia de suelos expansivos como arcilla de baja alta plasticidad
y limos de alta plasticidad en general
Variables 634
Caracteriacutesticas del suelo del talud humedad del suelo que conforma el talud
inclinacioacuten de talud aacutengulo de friccioacuten del suelo cohesioacuten nivel freaacutetico factor
de seguridad Tabla 9 Variables
Tabla 9 Variables
Fuente Propia
Se establece que para la medicioacuten de variables en el problema de investigacioacuten
del proyecto que se desarrolloacute el cual estaacute basado en el ANAacuteLISIS DE
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
EXPANSIVOS Los meacutetodos que se desarrollan en la estabilizacioacuten de taludes
son
VARIABLES
CUALITATIVAS Tipo de suelo CH CL y MH
CUANTITATIVAS
Humedad del suelo que conforma el talud ndash Nivel Freaacutetico
Inclinacioacuten de talud
Altura de talud
Angulo de friccioacuten
Cohesioacuten
Factor de seguridad
Sismo
46
Meacutetodo de Bishop simplicado a pesar de solo satisface el equilibrio de
momentos y no cumple con la totalidad de las ecuaciones de la estaacutetica
presenta exactitud frente a los resultados que se obtienen en comparacioacuten
con el meacutetodo ordinario de igual manera utiliza las dovelas teniendo en
cuenta las fuerzas entre las mismas y es uno de los maacutes utilizados para
calcular el factor de seguridad de los taludes la principal restriccioacuten del
meacutetodo es que solo considera las superficies circulares (Jaime
Suarez2002)
De igual manera se ejecuta el respectivo anaacutelisis por medio de Software Slidereg
en el cual se tienen en cuenta para los modelos los paraacutemetros descritos
anteriormente
Slidereg ya que es un programa con anaacutelisis de la filtracioacuten incorporando
elementos finitos y funciones que define directamente el usuario de esta
manera el estudio de sensibilidad permite determinar el efecto de las
variables en el factor de seguridad de un talud
64 FASES DEL PROYECTO
A traveacutes de las fases es posible identificar el orden cronoloacutegico en el que se
desarrolla el presente documento para cumplir el objetivo general que es analizar
el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos por
suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo que se
describen a continuacioacuten
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas
47
Actividad 1 Consultar en diferentes fuentes de informacioacuten definiciones de
los paraacutemetros geomecaacutenicos de suelos expansivos que seraacuten estudiados
Actividad 2 Investigacioacuten del subsuelo y conocimiento determinado de
suelos expansivos referenciando los meacutetodos de exploracioacuten
Actividad 3Identificacioacuten problemas que ocasionan estos materiales con
presencia taludes ante solicitaciones de gravedad infiltracioacuten sismo
escorrentiacutea y otros
Actividad 4 Recopilacioacuten de informacioacuten secundaria referente al
comportamiento de estos materiales
Actividad 5 Documentacioacuten de antecedentes referentes a deslizamientos y
amenazas que presente un talud compuesto por suelos expansivos
identificando coacutemo se estudian los deslizamientos y los problemas
geoteacutecnicos que se presentan en estos materiales
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 642
Actividad 1 Definicioacuten de los paraacutemetros a estudiar para la modelacioacuten en
taludes
Actividad 2 Elaboracioacuten de matriz para la definicioacuten del modelo
geoteacutecnico el desarrollo y respuesta del mismo
48
Actividad 3Realizar la instruccioacuten en programas de modelacioacuten para
estabilidad de taludes
Actividad 4 Modelacioacuten geoteacutecnica mediantes equilibrio liacutemite para las
diferentes condiciones de escenarios descritos en la matriz
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 643
Actividad 1Generacioacuten de graacuteficas de resultados de las modelaciones
para la revisioacuten del factor de seguridad
Actividad 2Anaacutelisis del comportamiento de los paraacutemetros geoteacutecnicos
definidos teniendo como base la modelacioacuten realizada en diferentes
escenarios
Actividad 3 Generacioacuten de graacuteficas finales de respuesta del
comportamiento de los paraacutemetros geomecaacutenicos
Actividad 4 Anaacutelisis de resultados respecto a la generacioacuten de graacuteficas
Actividad 6 Generacioacuten y redaccioacuten del documento final
Actividad 7 Generacioacuten de Articulo
49
7 DESARROLLO METODOLOacuteGICO
Por medio de la descripcioacuten detallada de conceptos se obtiene la identificacioacuten de
suelos expansivos a estudiar que como se menciona en el documento son
materiales compuestos por arcillas de alta y baja plasticidad y limos de alta
plasticidad en donde se identifica las caracteriacutesticas mecaacutenicas geoteacutecnicas
fiacutesicas que son claves al momento del anaacutelisis de cada uno de los modelos a
ejecutar en el software Slidereg con el fin de conocer el comportamiento de los
suelos en mencioacuten cuando se tienen variables de sismo nivel freaacutetico y
geometriacutea correspondiente a diferentes aacutengulos de inclinacioacuten 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
y una altura de 10 m 20 m y variaciones con respecto al paraacutemetro Ru de 00
01 025 04 05 en condiciones estaacutetica y dinaacutemica
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS
Se realiza una descripcioacuten detallada acerca de los suelos expansivos que
conforman un talud de los cuales se analiza el factor de seguridad como lo son
arcillas de baja y alta plasticidad y limos de alta plasticidad donde se identifican
las caracteriacutesticas que componen cada uno de estos suelos y la diferencia de los
mismos para su respectiva identificacioacuten descritos en la tabla 10 Descripcioacuten de
suelos expansivos
50
CH CL ML
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGAacuteNICO DE BAJA PLASTICIDAD
Arcillas inorgaacutenicas de alta plasticidad arcillas
grasas
Arcillas inorgaacutenicas de plasticidad baja a mediana
arcillas gravosas arcillas arenosas arcillas limosas
arcillas magras
Limos inorgaacutenicos y arenas muy finas harina de
roca arenas finas limosas o arcillosas o limos
arcillosos de ligera plasticidad
Suelo de grano fino
Diaacutemetro de las partiacuteculas comprendido entre
005 mm y 0005 mm
Color variacutea desde gris claro a muy oscuro
No suelen tener propiedades colidales
A partir de 0002 mm y a medida que
aumenta el tamantildeo de las partiacuteculas se
va haciendo cada vez mayor la
proporcioacuten de minerales no arcillosos
Partiacuteculas forma redondeada
Tacto aacutespero
Mayor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de masa
Se secan con relativa rapidez y no se
pegan a los dedos
Los terrones secos tienen una cohesioacuten
apreciable pero se pueden reducir a
Pueden ser colapsables
Fuerte olor a tierra Ligero olor a tierra Olor no caracteriacutestico a menudo ninguno
Consistencia alta Menor consistencia que las CH Consistencia baja
Estructura blanda Estructura menos blanda que las CH Estructura blanda
Alta capacidad de deformarse sin agrietarse ante
un esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten
al retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse ante un
esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten al
retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse
ante un esfuerzo mecaacutenico conservando la
deformacioacuten al retirarse la carga
Plaacutesticos Plaacutesticos Ligeramente plaacutesticos
Liacutemite liquido mayor de 50 arcillas de alta
contraccioacuten-dilatacioacuten Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos
Los terrones secos se pueden partir
pero no reducir a polvo con los dedos
No son colapsables
Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosos
Partiacuteculas forma laminar
Tacto suave
Menor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de
superficie
GRAacuteFICO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS DE GRANO FINO
SUELOS EXPANSIVOS
Son suelos que al ser humedecidos sufren una expansioacuten que pone en peligro a las estructuras cimentadas sobre ellos
Su comportamieno se caracteriza principalmente por
- La contraccioacuten debido al secado
- La expansioacuten al humedeserce
- Desarrollo de presiones de expansioacuten cuando estaacute confinado y no puede expandirse
Suelen tener propiedades colidales
Suelo de grano fino suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio
hidratados procedentes de la descomposicioacuten de rocas que contienen feldespato como el granito
Diaacutemetro menor de 0005 mm
Presenta diversas coloraciones seguacuten las impurezas que contiene desde el rojo anaranjado hasta el
blanco cuando es pura
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos
Fuente Adaptado de
[En liacutenea] ltftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt[citado en 15 de
octubre del 2015]
[En liacutenea] lt httpesslidesharenetfrkfirtinsuelos-expansivosgt[citado en 15 de octubre del 2015]
[En liacutenea] lthttpwwwfceiaunreduargeologiaygeotecniaDiferenciasgt[citado en 15 de octubre del 2015
51
UNIDAD SUELO-1 SUELO-2 SUELO-3
71 63 43
32 37 24
39 26 19
31 26 23
KNm3 132 139 146
KNm3 141 146 151
24 22 20
CH MH CL
CONTENIDO INICIAL DEL AGUA
CLASIFICACIOacuteN DEL SUELO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
LIMITE DE CONSISTENCIA
COMPACTACIOacuteN
OPTIMO CONTENIDO DE AGUA
DENSIDAD LIBRE MAacuteXIMA
PROPIEDADES FISICAS INALTERADAS DE LA MUESTRA DE SUELO
DENSIDAD LIBRE INICIAL
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLAacuteSTICO
INDICE PLAacuteSTICO
PROPIEDADES
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH
Es necesario conocer las propiedades fiacutesicas de los suelos descrita en la tabla
11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos ya que de estas depende el
comportamiento mecaacutenico que lo mismos presentan ante factores intriacutensecos y
extriacutensecos como los son lluvia y sismo siendo estos importantes al momento de
observar el proceso de remocioacuten en masa de un talud cuando se afecta por estos
factores
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A traveacutes del estudio realizado en el libro expansive Soils se obtienen este tipo de
propiedades fiacutesicas de los materiales que en el presente proyecto se desarrollan
descritos en la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos en el
estudio ejecutado se describe sobre los avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento en suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
52
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar los inconvenientes que la presencia de estos
puedan generar en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada
por la expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten o
dilatacioacuten que presentan debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel
freaacutetico
Por lo tanto el limite liacutequido que presentan los tipos de suelos analizados es para
un CH de 71 MH de 63 y CL de 43 lo que indica que este es el porcentaje
en el que cada uno de estos suelos pasa de un estado liacutequido a uno plaacutestico Es
asiacute como se observa que existe maacutes probabilidad de que ocurra este fenoacutemeno
con la arcilla de alta plasticidad
Con respecto al liacutemite plaacutestico se observan valores obtenidos para un CH 32
MH 37 y 24 que es cuando el suelo pasa de un estado semisoacutelido a uno
plaacutestico siendo mayor para el limo de alta plasticidad
De tal manera que se observa el Iacutendice de plasticidad bajo como por ejemplo del
19 para una arcilla de baja plasticidad la cual significa que un pequentildeo
incremento en el con tenido de humedad del suelo lo transforma de semisoacutelido a
la condicioacuten de liacutequido es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad
Por el contrario un iacutendice de plasticidad alto como por ejemplo del 39
perteneciente a la arcilla de alta plasticidad indica que para que el suelo pase del
estado semisoacutelido al liacutequido se le debe agregar gran cantidad de agua26
Tambieacuten se obtiene el contenido oacuteptimo de agua el cual permite la obtencioacuten de la
26
Liacutemites de Atterberg Iacutendice de Plasticidad Fluidez Retraccioacuten [en liacutenea]lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
53
densidad maacutexima mediante la compactacioacuten que seguacuten tabla 11 Es 31 para un
CH 26 para el MH y 23 para el CL Siendo este valor inversamente
proporcional a la densidad libre maacutexima debido a que entre mayor es el oacuteptimo
contenido de agua menor es la densidad maacutexima
De esta manera se obtienen las propiedades fiacutesicas de los suelos estudiados
haciendo la respectiva clasificacioacuten de los materiales correspondientes a suelos
expansivos
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS
Con el fin de lograr la identificacioacuten de cada uno de los materiales se seleccionan
los paraacutemetros geomecaacutenicos siendo los mismos importantes pues de estos
depende el comportamiento y el valor de factor de seguridad del talud cuando se
relacionan con paraacutemetros geomeacutetricos y de Ru ante factores estaacuteticos y
dinaacutemicos que se describen en los siguientes numerales a partir del 731
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 731
La seleccioacuten de paraacutemetros a raiacutez de la investigacioacuten realizada se consolidoacute
teniendo en cuenta los siguientes datos bibliograacuteficos
En el libro Expansive Soil se observa la descripcioacuten de un estudio donde se
evaluacutea la presioacuten de hinchamiento del suelo el potencial de hinchamiento y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada de muestras alteradas e inalteradas de
suelos expansivos De donde se describen tres tipos de suelos seleccionados de
la parte norte de Jordania con una amplia gama de contenido de arcilla
caracterizando las propiedades fiacutesicas de estos suelos como la gradacioacuten el
liacutemite plaacutestico y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco
54
maacuteximo y el contenido oacuteptimo de agua de donde se tienen en cuenta las normas
ASTM para consolidar los resultados en la Tabla 11 del presente documento
Razoacuten por la cual se toman valores de peso especiacutefico para MH CH y CL ya que
el estudio que se explicoacute anteriormente estuvo basado en muestras de suelos
inalteradas en zonas altamente arcillosas con caracteriacutesticas similares a las que
se analizan
Otro de los estudios realizados en el libro de Expansive Soils trata de una serie
completa de pruebas de la compresioacuten inconfinada (UC) no consolidado no
drenado (UU) triaxiales y columna resonante (RC) en donde se realizan sobre
muestras estabilizadas quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del
sureste de Arlington Texas despueacutes de haber sido sometido a ciclos repetitivos
de humectacioacuten-secado (WD) inducido artificialmente en el laboratorio Se
utilizan los resultados para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo
plazo la rigidez y unidimensional (1-D) hinchazoacuten y contraccioacuten como respuesta
del suelo tratado incluyendo la resistencia a la compresioacuten inconfinada
paraacutemetros de resistencia al corte sin drenaje moacutedulo de corte dinaacutemico y
material de amortiguacioacuten
Los Meacutetodos de estabilizacioacuten incluyen sulfato resistente cemento Tipo V bajo en
calcio clase F de ceniza volaacutetil cal viva y se mezcla con fibras de polipropileno
Dichas muestras de suelo tratadas se curaron durante 7 diacuteas y despueacutes se
sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la prueba UC UU y RCl Un
ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua potable en la sala
de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a 140 degF En cambio
las caacutemaras wd permiten el monitoreo de 1-D expansioacuten-contraccioacuten que brinda
respuesta durante wd repetido Una dosis por peso 10 de cemento Tipo V
parece dar mejor rendimiento general bajo wd ciacuteclico
55
Es de esta manera como se busca resumir los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados descritos en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
natural antes de ser tratado En la misma tabla indicada pero en la fuente
bibliograacutefica se presentan los demaacutes resultados como resumen de los paraacutemetros
de resistencia al cortante (c-ɸ) obtenidos de ensayos triaxiales UU que en este
caso se omitieron debido a que nuestro estudio estaacute basado en suelos expansivos
sin tratar
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no
drenado Suelo natural antes de ser tratado
Nuacutemero de
ciclos w-d C (psi) C (KPa)
de
cambio
ɸ
(deg)
de
cambio
Suelo
Natural
0 68 469 00 06 00
1 65 449 - 44 06 00
2 67 462 - 15 06 00
4 63 435 - 74 06 00
8 69 476 + 15 06 00
16 69 473 + 07 06 00
32 69 476 + 15 06 00
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 129 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681
Los valores que se encuentran resaltados en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
56
natural antes de ser tratado fueron utilizados en el trabajo para los paraacutemetros del
material arcilla de alta plasticidad (CH)
A continuacioacuten se presentan las figuras correspondientes a los efectos del
contenido inicial de agua en la presioacuten por hinchamiento para obtener los valores
de cohesioacuten en cada uno de los tipos de suelos estudiados para ello se tiene en
cuenta las propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos resumidos en la tabla
11 donde se especifica el contenido inicial () del agua asiacute CH 24 MH 22 y CL
20 valores con los que se ingresa en el eje vertical para las figuras
correspondientes al suelo compuesto por limo de alta plasticidad y arcilla de baja
plasticidad analizado en condiciones estaacuteticas (la condicioacuten dinaacutemica se tendraacute
en cuenta en el proceso de modelacioacuten)
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH
Tomado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 134 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
57
A partir de la figura 3 se obtiene un valor de
y a su
vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla
inorgaacutenica de alta plasticidad
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para CL
Tomado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 135 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A partir de la figura 4 se obtiene un valor de
y a su vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla inorgaacutenica de alta
plasticidad
En la investigacioacuten se encuentran diferentes paraacutemetros para distintos tipos de
suelos de los cuales se analiza y compara con la fuente del libro de Expansive
58
Soils seleccionando los apropiados para ejecutar la modelacioacuten en el software
Slidereg en la Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos en el cual se
evidencian valores comparados con la fuente confiable del libro
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Consistencia
Angulo de friccioacuten
interna
ɸ en grados
Peso
especiacutefico
Kgcm2
Arena gruesa
o arena con
grava
Compacta 40 2250
Suelta 35 1450
Arena media Compacta 40 2080
Suelta 30 1450
Arena limosa
fina o limo
arenoso
Compacta 30 2080
Suelta 25 1365
Limo uniforme Compacta 30 2160
Suelta 25 1365
Arcilla-limo Suave a
mediana 20 1440-1920
Arcilla limosa Suave a
mediana 15 1440-1920
Arcilla Suave a
mediana 01 1440-1920
Fuente Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos [En liacutenea] lt httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-
diferentes-propiedades-de-los-suelosgt [citado en 11 de noviembre del 2015]
59
7311 Paraacutemetros para limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Este tipo de materiales cuentan con suelos de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse antes los esfuerzos mecaacutenicos contando con un liacutemite
liquido menor de 50 Los paraacutemetros para este material se establecen en la tabla
13 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
LIMO INORGAacuteNICO DE ALTA PLASTICIDAD
(MH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 15 146
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se toman de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten correspondiente al efecto del contenido de agua inicial en la
presioacuten de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para MH En
donde se observa la seleccioacuten del paraacutemetro en la graacutefica 3 El efecto del
contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH Ingresando en el eje horizontal con el contenido inicial
del agua descrito en la tabla No 11 Propiedades Fiacutesicas de los suelos
expansivos en la cual se describe un contenido de agua inicial de 22
que para condicioacuten estaacutetica es de 140 Kpa como presioacuten de hinchamiento
60
que permite obtener el valor de la cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten los datos obtenidos de la web ingeniero civil
denominada Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten de la tabla 13
Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos que se encuentra en un blog
peruano creado en agosto de 2010 por John J Rojas se identifica como
un portal que dedica a compartir y difundir temas relacionados con la
ingenieriacutea civil desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico Se describe en el paacuterrafo introductorio del numeral 73 de
seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos y es tomado de la tabla 11
Propiedades fiacutesicas de los suelos
7312 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
La arcilla de alta plasticidad pertenece a suelos inorgaacutenicos de grano muy fino
con baja capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico su
liacutemite liacutequido es mayor a 50 presentando asiacute los paraacutemetros geomecaacutenicos a
continuacioacuten para el respectivo material descrito en la tabla 15 Paraacutemetros
geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
61
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA
PLASTICIDAD
(CH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
469 06 141
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se tomaron de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten se encuentran resumidos los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados el anaacutelisis es efectivo por que el suelo se
presenta en estado natural En la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al
corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural
antes de ser tratado
Aacutengulo de friccioacuten tomado para el suelo natural sin ninguacuten tipo de
estabilizacioacuten ni alteracioacuten en el contenido del mismo basada en las
condiciones iniciales de suelos expansivos despueacutes de haber sido sometida
dicha muestra a ciclos repetitivos de humectacioacuten-secado (WD) inducido
artificialmente en el laboratorio para identificar el comportamiento del mismo
en cuanto a la resistencia al cortante donde el aacutengulo de friccioacuten interna
determina su comportamiento junto con la cohesioacuten resumidas dichas
62
Condiciones en la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para
ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural antes de ser
tratado
Peso especiacutefico este valor se encuentra descrito en el paacuterrafo introductorio
de seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos Tabla 11 Paraacutemetros fiacutesicos de
los suelos expansivos
7313 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
La arcilla de baja plasticidad hace parte de los suelos inorgaacutenicos de grano muy
fino con baja capacidad de deformacioacuten sin sufrir de grietas ente un esfuerzo
mecaacutenico el liacutemite liquido es menor a 50 de esta manera en la tabla 16
Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) se
describen los paraacutemetros a considerar para la modelacioacuten ejecutada
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA
PLASTICIDAD
(CL)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 01 151
Fuente propia
63
Los paraacutemetros relacionados se toman de distintas fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten corresponde al efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten
de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para CL Ingresando en
el eje horizontal con el contenido inicial del agua descrito en la tabla 11
Propiedades Fiacutesicas de los suelos expansivos se describe un contenido de
agua inicial de 20 que para condicioacuten estaacutetica muestra un valor de 140
Kpa como presioacuten de hinchamiento que permite obtener el valor de la
cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten Se obtiene de la web del ingeniero civil denominada
Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten un blog peruano creado en
agosto de 2010 por John J Rojas descrito en la tabla 13 Paraacutemetros de
diferentes tipos de suelos en donde se tiene en cuenta el portal que se
dedica a compartir y difundir temas relacionados con la ingenieriacutea civil
desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico descrito en el paacuterrafo introductorio de seleccioacuten de
paraacutemetros geomecaacutenicos de la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos
expansivos
64
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 732
Para la seleccioacuten del valor cuando hay presencia de sismo en la modelacioacuten del
talud se tiene en cuenta la norma NSR-10 TITULO A de donde se selecciona el
valor del coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva el cual
se determina en su maacuteximo valor de amenaza siacutesmica igual a 030 descrito en la
Tabla A23-1 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y de Av descrito en la
figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y Av
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo A Capitulo A2 Zona de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de
disentildeo
El valor que se selecciona en el paacuterrafo anterior para una amenaza siacutesmica alta
se multiplica por el coeficiente Kst que se utiliza para el anaacutelisis y disentildeo de
taludes en donde se debe incluir la aceleracioacuten maacutexima del terreno teniendo en
cuenta el tipo de material terreo que se manejaraacute en el presente proyecto Tomado
de la tabla H52-1 de la norma sismo resistente Observado en la figura 6
Valores de Kst A max
65
Figura 6Valores de Kst A max
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5Excavaciones y estabilidad de taludes
Seleccionando el valor que pertenece a suelos enrocados y macizos muy
rocosos con un Kst de 080 ya que no se ejecutoacute ninguacuten anaacutelisis de amplificacioacuten
en los suelos expansivos de estudio
El valor se aproxima de 024 a 025 como coeficiente de aceleracioacuten de amenaza
siacutesmica en el disentildeo de los taludes en el software Slide reg
De tal manera que para el anaacutelisis de factor de seguridad de los taludes se tiene
en cuenta el capiacutetulo H en donde se especifican los valores maacuteximos para que el
talud se encuentre en amenaza por un fenoacutemeno de remocioacuten en masa El cual se
puede observar el la figura 7Factores de seguridad indirectos miacutenimos
66
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5 Excavaciones y estabilidad de taludes
7321 Paraacutemetro de presioacuten de poros Ru
Teniendo en cuenta que el Ru es una relacioacuten de poros y esfuerzo vertical se
seleccionan valores de 00 01 025 04 y 05 en donde a medida que aumenta
dicho valor indica el nivel de agua contenido en el suelo del talud para el valor
00 el suelo se encuentra de estado natural-huacutemedo en 025 es un nivel de agua
medio en el talud y 05 talud saturado
67
Paraacutemetros geomeacutetricos 733
En la etapa de recoleccioacuten de datos se investigaron tesis relacionadas con el tema
de donde se tuvo en cuenta el documento desarrollado sobre Influencia Del
Abatimiento Del Nivel Freaacutetico En El Caacutelculo del Factor De Seguridad Para La
Estabilidad De Taludes realizado por el Ingeniero Leonardo Leuro Antildeo
2015Universidad La Gran Colombia
Para lo cual se seleccionan diferentes alturas en la geometriacutea del talud y aacutengulos
de inclinacioacuten estudiados en el proyecto descrito anteriormente los cuales fueron
Aacutengulos 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Alturas de talud de 10 m y 20 m
74 DESARROLLO DEL MODELO
A traveacutes de los paraacutemetros geomecanicos y geomeacutetricos anteriormente descritos
se disentildean taludes con diferentes condiciones con el fin de lograr un anaacutelisis
completo de lo que se presenta en campo descrito en la tabla 17 Matriz de
disentildeo
68
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
Fuente propia
De la cual se generan los modelos teniendo en cuenta los diferentes aacutengulos y
alturas en estado dinaacutemico y estaacutetico para diferentes valores de Ru de donde se
obtienen valores de factor de seguridad para el material de Arcilla de alta
plasticidad limo de alta plasticidad y arcilla de baja plasticidad en el cual se
evidencian los paraacutemetros geomecaacutenicos descritos a partir del numeral 73
Paraacutemetros geomecaacutenicos del presente documento
000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447 2416 2184 1937 1471 1307 1139 1468 1466 1465 0909 0907 0906
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670 1575 1365 1146 0993 0851 0705 0733 0731 0729 0492 0490 0489
10 1991 1983 1975 1404 1398 1392 2007 1817 1624 1380 1246 1111 1377 1376 1374 0882 0881 0880
20 1008 1000 0991 0677 0670 0664 1246 1073 0902 0887 0756 0626 0689 0687 0686 0466 0464 0463
10 1810 1804 1798 1345 1340 1336 1654 1479 1319 1248 1131 1015 1251 1250 1248 0868 0867 0866
20 0958 0951 0945 0649 0644 0638 1011 0858 0705 0763 0646 0527 0623 0622 0621 0460 0459 0458
10 1548 1542 1536 1242 1238 1233 1306 1141 0981 1107 0988 0858 1069 1068 1067 0831 0830 0830
20 0779 0773 0767 0587 0582 0578 0797 0640 0485 0648 0534 0406 0536 0535 0534 0403 0402 0402
30
45
60
75
RuALTURAANGULO
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
Ru Ru
0
Ru
025
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
C (KNM2) φ γ(KNM2)
35 15 146
Ru Ru
C (KNM2) φ γ(KNM2)
CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
35 01 151
69
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 741
Se realiza el disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en
condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 0 en
donde se indica una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Que se
observa en la figura 8Modelo en Slidereg para un CH de donde se obtiene el valor
de factor de seguridad que se muestra en la figura 9 Factor de seguridad CH
estaacutetico
Figura 8 Modelo en slide para un CH
Fuente Propia
70
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico
Fuente Propia
De esta manera se realiza este procedimiento para los materiales de MH Limo de
alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
Se lleva acabo el disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de aacutengulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico brindando asiacute un
factor de seguridad que se muestra en la figura 11 Factor de seguridad para MH
estaacutetico
71
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad para dicho modelo descrito en la
figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Fuente propia
72
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12Modelo de Slidereg para un CL estaacutetico
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad del talud que se observa en la figura
13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Fuente propia
73
En el proceso de modelacioacuten se incluye la condicioacuten de sismicidad en donde en el
Software SLIDEreg se agrega en LOADING seismic load y se coloca el valor de
025 como coeficiente de amenaza siacutesmica Aa
De esta manera se tiene en cuenta la condicioacuten dinaacutemica la cual se realiza en el
disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 para una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Observado en la figura
14Modelo en Slide para un CH dinaacutemico
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico
Fuente Propia
74
Del anterior disentildeo se logra obtener el factor de seguridad que se observa en la
figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Fuente Propia
Es asiacute como se lleva a cabo este procedimiento para los materiales de MH Limo
de alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
El disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 con una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se observa en la figura
16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
75
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad observado en la figura 17 Factor de
seguridad para MH dinaacutemico
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico
Fuente propia
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 0 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 025 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12 Modelo de Slide para un CL estaacutetico el cual se observa
76
en la Figura 18 Modelo de Slide para un CL dinaacutemico
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad del talud en condicioacuten de sismo visto
en la figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Fuente propia
77
De esta manera se modifican en el modelo los valores de Ru=0 025 y 05 y las
alturas de 10m y 20m con aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
relacionaacutendolos entre siacute obteniendo el factor de seguridad para condiciones
estaacuteticas en 144 modelos en condiciones estaacuteticas y dinaacutemicas En la segunda
modelacioacuten se realiza el mismo procedimiento con 120 modelos incluyendo
valores de Ru= 01 y 04 con una altura especifica de 10 metros para diferentes
aacutengulos
De donde se obtiene como resultado la matriz de factores de seguridad que se
muestra en la tabla 17 Valores de factor de seguridad
Tabla 17Valores de factor de seguridad
Fuente propia
De estos resultados se efectuacutea el anaacutelisis de graacuteficas que se observa en el
numeral 8anaacutelisis de resultados comparando el factor de seguridad vs el aacutengulo
para diferentes alturas del talud con presencia de CH MH y CL en
condiciones dinaacutemicas y estaacuteticas como se muestra en la figura 20 Comparacioacuten
de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para Ru=00
CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670
0
Ru
025
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
30
RuALTURAANGULO
78
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten
estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
Fuente propia
De esta manera para los 120 modelos donde los Ru= 00 01 025 04 y 05 con
una altura de 10 metros y aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75 ordm se
elaboran las graacuteficas en Excel con el fin de hacer una comparacioacuten de cada uno
de los aacutengulos con respecto al valor de factor de seguridad vs ru en estado
dinaacutemico y estaacutetico que se muestra en la Figura 21 Graacutefica Factor de seguridad
Vs Ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y altura de 10 m en CH
MH y CL de esta manera se estudian los comportamientos respectivamente en el
iacutetem 8anaacutelisis de resultados
79
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente propia
Con el fin de obtener la cohesioacuten a la que un talud compuesto por suelos
expansivos con aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm a una altura de 10 metros cumple
con los factores de seguridad expuestos en el numeral 732 Seleccioacuten de valores
de sismo y ru en estado estaacutetico y dinaacutemico se ejecuta una sensibilizacioacuten del
paraacutemetro cohesioacuten para los diferentes modelos modificando asiacute el valor de ru
en 00 01 025 04 y 05 siendo 00 la condicioacuten seca o en estado natural del
suelo 025 condicioacuten intermedia de nivel de agua en el talud y 05 condicioacuten de
saturacioacuten mientras que 01 y 04 son valores intermedios
Se realiza el siguiente procedimiento con cada uno de los modelos en donde se
encuentra una modificacioacuten de la geometriacutea (aacutengulo) el valor ru y su condicioacuten
estaacutetica o dinaacutemica
80
1 Se toma como ejemplo el modelo de talud para10 metros con un aacutengulo
de 30ordm con material de arcilla de alta plasticidad se verifica que se
encuentre la seleccioacuten en anaacutelisis Project settings statistics y se
selecciona sensitivity analysis Como se muestra en la figura 22
Sensitividad de paraacutemetros
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros
Fuente propia
2 Se seleccionan las variables y se escriben los valores de cohesioacuten que en
este caso son de 469 knm2 para CH 35 knm2 para CL y 35 knm2 para
MH en cada uno de los modelos correspondientes a cada material y con
su respectiva geometriacutea determinando los rangos de las variables que en
este caso se manejan 20 por encima y por debajo para el CH y 30 por
encima y por debajo para el CL y MH como se muestra en la figura 23
Rangos de variables
81
Figura 23 Rangos de variables
Fuente propia
3 Se corre el modelo con el fin de obtener la falla que presenta el talud y
cuando se obtiene se da clic en statistics sensitivity analysis plot se
selecciona cohesioacuten y el meacutetodo que para este caso es bishop y se da clic
en plot de donde se obtiene la graacutefica factor de seguridad vs cohesioacuten Que
se muestra en la figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud
compuesto por CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
82
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con altura de
10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
Fuente propia
4 La figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por
CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm se exporta a Excel y
se realiza el mismo procedimiento para los aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
para cada uno de los materiales CH MH y CL de donde se modifica la
condicioacuten de ru y de estaacutetico a dinaacutemico de donde se obtienen las graacuteficas
correspondientes a cada uno de los aacutengulos por cada material Como se
muestra en la figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH CL y
MH con altura de 10 m con ru=00 01025 04 y 05 en condicioacuten
estaacutetica y seudo-estaacutetica
83
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con ru=00 en
condicioacuten estaacutetica
Fuente propia
5 Al obtener las graacuteficas para CH MH y CL con condiciones de ru=00 01
025 04 y 05 se traza un liacutenea horizontal en el valor de 15 para condicioacuten
estaacutetica y en 105 para condicioacuten dinaacutemica que se describen en la tabla
7Factores de seguridad indirectos miacutenimos tomados de la NSR-10 y una
liacutenea vertical que intersecta con la liacutenea horizontal con las pendientes
correspondientes a cada uno de los valores de factor de seguridad vs
cohesioacuten que se realiza para cada aacutengulo encontrando asiacute el valor de
cohesioacuten de tal manera que los mismos indican que para las condiciones
geomeacutetricas descritas los valores de cohesioacuten que se muestran en el
anexo 4 Valores de cohesioacuten para suelos expansivos cuando se tiene un
84
valor menor al mostrado en la tabla los valores de factor de seguridad no
cumplen y es necesario realizar una modificacioacuten en el talud con el fin de
obtener estabilidad en la estructura El procedimiento para la obtencioacuten del
valor de cohesioacuten se realiza como se muestra en la figura 26 Valor de
cohesioacuten para un CH con ru=00 en condicioacuten estaacutetica para aacutengulos de
30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y 05 en
condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
85
86
87
88
89
Fuente propia
6 A traveacutes de este proceso se obtienen los resultados que se muestran en el
anexo 4Valores de cohesioacuten para suelos expansivos
90
8 ANALISIS DE RESULTADOS
A continuacioacuten se presentan los resultados y anaacutelisis de comportamiento de los
taludes compuestos por suelos expansivos Dichos resultados se asocian al valor
de factor de seguridad de los modelos disentildeados en el software Slidereg de
acuerdo a paraacutemetros geomecaacutenicos descritos en el titulo 73 Seleccioacuten de
paraacutemetros encontrados en el libro Expansive Soils de Amer Ali Al-Rawas amp
Mattheus FA Goosen de tal manera que los resultados se asocian a diferentes
condiciones como los son dinaacutemicos y estaacuteticos y cambios en el valor de ru con
respecto a alturas de 10 metros y 20 metros
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=0 en
CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 27 se analiza un comportamiento la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten en un 28 para estado
estaacutetico dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
91
expansivos siendo evidente que la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) tanto
para la altura de 10m como para la de 20m presenta un porcentaje de reduccioacuten
136 y 212 en comparacioacuten a los demaacutes tipos de suelos expansivos debido
a que tiene menor consistencia
Por lo tanto el limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor
aacutengulo de inclinacioacuten muestra un factor de reduccioacuten de 59 sin embargo su
factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada
a medida que aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas es menor
al aumentar la inclinacioacuten del talud FS disminuyendo de manera leve
En la graacutefica se evidencia que cerca de los 60deg de inclinacioacuten del talud para una
altura de 20 m MH y CH se comportan de manera similar con un factor de
seguridad de 101 y 096 equivalente al 55 respectivamente lo que indica
inestabilidad seguacuten la norma NSR-10 Tiacutetulo H Tabla H69-1 donde se especifica
que la estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetico debe ser
de 150 Mientras que en un talud de 10 m cerca de los 45deg de inclinacioacuten tanto el
MH como el CH presentan un comportamiento similar con un factor de seguridad
de 2 cumpliendo el factor miacutenimo que rige la Norma NSR-10
Al observar en la graacutefica la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) en un talud
de 20 m a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten presenta inestabilidad auacuten en condicioacuten
estaacutetica y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru
Finalmente en condiciones estaacuteticas y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru el material
oacuteptimo es CH solo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier
inclinacioacuten muestra estabilidad con un factor de reduccioacuten del 28 Cumpliendo
con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
92
Es asiacute como es preciso aclarar que en cualquier caso el FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 28 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y el paraacutemetro ru dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un talud de altura de 20m
cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 correspondiente a
150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo representa con
paraacutemetro ru el cual afecta de manera directa al talud
Uno de los factores de gran importancia es la geometriacutea que representa el talud
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
93
debido a que para un talud de 10 m hasta 20 metros el factor de reduccioacuten oscila
entre el 40 al 60
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo su factor de seguridad
disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada a medida que
aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas (C) es menor al
aumentar la inclinacioacuten del talud el FS disminuye de manera leve Este
comportamiento continua siendo caracteriacutestico de este material pues al ser
comparado con la Figura 27 el material es inadecuado no solo al aumentar la
inclinacioacuten sino tambieacuten a la presencia de agua en el suelo
En la graacutefica se puede evidenciar que cerca de los 50deg de inclinacioacuten para una
altura de 20 m MH y CH se comportan con un valor de 17 de manera diferente
quiere decir que su porcentaje restante su comportamiento es igual Sin llegar a
cumplir con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de 10 m
cerca de los 30deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CH presentan un
comportamiento similar cumpliendo con FS=21
Finalmente en condiciones estaacuteticas y con ru=025 el material oacuteptimo es CH
soacutelo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra
estabilidad modificado con el 28 de probabilidad Cumpliendo con el valor
miacutenimo establecido en la NSR-10
Entonces es preciso aclarar que en cualquier caso FS inversamente proporcional
al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
94
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 29 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y en condicioacuten criacutetica de saturacioacuten con ru=05
dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un
talud de altura de 20m cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-
10 correspondiente a 150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo
afecta de manera directa al talud y al comportamiento mecaacutenico del suelo
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 ESTAgraveTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
95
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material genera
condiciones inadecuadas no solo al aumentar la inclinacioacuten sino tambieacuten a la
presencia de agua en el suelo En donde se evidencia que para un CH con
presencia de ru= 00 hasta ru=05 su factor de reduccioacuten se ve modificado en un
1 mientras que para MH da un valor de 1982 y para un CL de 01
Cabe resaltar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para una altura de 20 m MH y
CH se comportan de manera similar con un FS=100 lo que indica estabilidad
pero no cumple con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de
10 m cerca de los 70deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CL presentan un
comportamiento similar con FS=125 A partir de eacuteste uacuteltimo anaacutelisis es importante
aclarar que el MH ya no se relaciona con el comportamiento del CH sino del CL
Finalmente en condiciones estaacuteticas y condicioacuten criacutetica de ru=05 el material
oacuteptimo sigue siendo CH como en los casos anteriores pero solo en un talud de
10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con factores
de reduccioacuten que no cambian bruscamente si no que oscilan entre el valor de
338 hasta 332 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo lo descrito anteriormente indica que en cualquier caso se analiza que el
FS es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
96
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=000
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 30 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
dinaacutemica con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica de 025 descrito en la
seleccioacuten de valores de sismo (iacutetem 732) del presente proyecto ninguno de los
materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m de
altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo afecta de
manera directa al talud
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
97
El MH es el material que a menor aacutengulo de inclinacioacuten de 51ordm en condiciones
dinaacutemicas muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material presenta
comportamientos mecaacutenicos deacutebiles no solo al aumentar la inclinacioacuten sino
tambieacuten a la presencia de un sismo lo cual se evidencia en el 187 con ru=00
y se evidencia en ru=05 con un porcentaje de 669
De tal manera se evidencia que a los 45deg de inclinacioacuten para el MH en un talud
de altura de 20 m y un CL con un talud de 10 m de altura se comportan de
manera similar comparaacutendolo con una diferencia del 08 de tal manera que a
pesar de sus diferencias dichos factores le generan inestabilidad a el talud Por
lo tanto para un aacutengulo de inclinacioacuten de 30deg y una altura 10 m su inferencia con
respecto al factor de seguridad es del 1 cumpliendo asiacute para los valores
descritos en la matriz de resultados con la NSR-10
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo sigue siendo CH como
en los casos anteriores ya que cumple con el 313 pero solo en taludes de 10
m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre
1242 y 146 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo ello indica que en cualquier caso se analiza que FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura aun en condiciones dinaacutemicas
98
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 31 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales que se analizan en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de
10 m de altura cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo y de agua en el
suelo afecta de manera directa al talud teniendo en cuenta que el factor de
reduccioacuten para un CH es de 505 en condiciones de 75ordm de inclinacioacuten
mientras que para MH es mayor pues es de 628 y para el CL de 504
De esta manera se observa que a los 60deg de inclinacioacuten para el MH y el CL en un
talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un factor de
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
99
reduccioacuten de 256 lo que indica inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta
para todos los materiales en un talud de 20 m de altura y en una altura de 10 m
para los CL
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo continuacutea siendo CH
como en los casos anteriores pero solo en un talud de 10 m de altura puesto que
frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre 1238 y
1454 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10 Sin embargo el
MH tambieacuten se comporta de manera adecuada hasta inclinaciones de 60deg puesto
que bajo estas condiciones presenta FS entre 1131 y 1307
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 32 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
100
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m
de altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 esto se
debe a que la presencia de sismo y de agua en el suelo afecta de manera directa
al talud siendo el factor de reduccioacuten para las arcillas cercano al 1 mientras que
para los limos da superior al 20
Es asiacute como se puede observar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para el MH y
el CL en un talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un
porcentaje igual de 447 lo que con lleva a que el comportamiento mecaacutenico del
suelo no es igual y genera inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta para
todos los materiales en un talud de 20 m de altura y el CL en una altura de 10 m
En condiciones dinaacutemicas el material con las mejores caracteriacutesticas se suelo es
el CH como en todos los casos mencionados anteriormente pero solo en un talud
de 10 m de altura puesto que frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra
estabilidad con FS entre 1233 y 1447 Sin embargo el MH tambieacuten se comporta
de manera adecuada hasta inclinaciones de 45deg puesto que bajo estas
condiciones presenta FS entre 1111 y 1139
Es asiacute como se concluye que FS es inversamente proporcional al aacutengulo de
inclinacioacuten a la altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica al ser comparado
entre los modelos con las diferentes condiciones de sismo
Es evidente la influencia que tiene la presencia de agua en los suelos expansivos
a continuacioacuten se presenta un anaacutelisis del comportamiento de los suelos ante la
variacioacuten del paraacutemetro ru para taludes con una altura de 10m con el fin de
analizar cuaacutel de estos materiales se ve maacutes afectado por dicho paraacutemetro
101
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 33 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad (FS) de manera
insignificante al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y 05 con
factores de reduccioacuten de 392 hasta 328 desde 30ordm de inclinacioacuten hasta 75ordm
respectivamente cumpliendo con el factor de seguridad descrito en la NSR-10
(15 en condicioacuten estaacutetica) A diferencia del limo inorgaacutenico de alta plasticidad
(MH) que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a medida que
aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS entre 2416 y 1937 Por otro lado la
arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH) disminuye FS de 2127 a 2105 a medida
que aumenta el paraacutemetro ru
A partir de lo mencionado es claro que el factor de seguridad es inversamente
proporcional al paraacutemetro ru puesto que a mayor presencia de agua en el suelo
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
000 020 040 060
FS
RU
30ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
102
menor factor de seguridad el cual se hace evidente en el cambio que se presenta
para los diferentes materiales que como ejemplo se cita del CH que para un
aacutengulo de 30ordm 10 metros de altura con ru=0 hasta 05 brinda un factor de
reduccioacuten del 1034
Se evidencia que el CH tiene un comportamiento constante frente al cambio del
factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas cumplen con respecto al valor
brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se establece
a 105 pues los valores del FS oscilan entre 1460 hasta 1447 que comparado
con el material de MH para un aacutengulo de 30ordm la diferencia estaacute en un 1306
mientras que para el CL es de 309
El CL el FS es de 0909 hasta 0906 donde el ru=00 y ru=05 teniendo
posibilidades altas de falla con respecto a los materiales CH y MH siendo
afectado cada uno de los suelos por la condicioacuten dinaacutemica que hace a los
materiales propensos para que ocurra fenoacutemenos por remocioacuten en masa
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 30deg y una altura de 10 m
todos los materiales son oacuteptimos siendo MH el mejor de ellos representado en
porcentajes de 1982 hasta el 3914 Mientras que en dinaacutemico el CL No
cumple en ninguacuten momento con los paraacutemetros establecidos por la norma sismo
resistente mientras que los otros materiales si hasta cierto aacutengulo de inclinacioacuten
como se especifica en el anexo 3 Modelacioacuten adecuada para taludes compuestos
por suelos expansivos
103
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 45deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 34 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad a medida que
aumenta el contenido de agua en el suelo al igual que el CH y MH
De tal manera que para el material CH los valores de ru=00 entre el 1 al 29
esto se debe a que la modificacioacuten que le pueda llegar a generar el agua al suelo
es miacutenima frente al resto de materiales pues en el MH da un valor del 30 Lo
cual indica que existe un paso raacutepido del agua por las partiacuteculas del suelo
generando asiacute que en condicioacuten estaacutetica para una inclinacioacuten de 45deg el CL no
cumpla con respecto al factor de seguridad de la norma NSR-10 mientras que
MH y CL si siendo CH el material maacutes oacuteptimo para estas condiciones de talud
Se infiere que al aumentar el aacutengulo a 45ordm el factor de seguridad disminuye
siendo dicho valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0500
1000
1500
2000
2500
000 020 040 060
FS
RU
45ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
104
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 se observa que para los
suelos CH y MH cumple para el aacutengulo de 45ordm mientras que para el suelo CL no
cumple con dicha condicioacuten cuando presenta un fenoacutemeno de sismo
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 60deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 35 se evidencia que CL describe un comportamiento constante que
disminuye FS en un 27 al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y
05 con FS entre 024 a 044 respectivamente incumpliendo la NSR-10 A
diferencia del MH que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
000 020 040 060
FS
RU
60ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
105
medida que aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS Por otro lado en el suelo
compuesto por CH disminuye en 14 a medida que aumenta la condicioacuten de
agua
Se observa que el CH presenta un comportamiento constante frente al cambio
del factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas que cumplen con respecto al
valor brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se
establece a 105
De tal manera que el comportamiento para el MH se evidencia que el FS es
inversamente proporcional al factor ru debido que al aumentar las condiciones de
ru en el talud el FS disminuye cumpliendo con el valor miacutenimo descrito en NSR
10 hasta un ru de 04
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 45deg y una altura de 10 m
solo el CH y MH cumplen con el factor siendo materiales oacuteptimos para el disentildeo
siendo CH el mejor de ellos en condicioacuten dinaacutemico el CL no cumple con el factor
de seguridad miacutenimo establecido mientras que el CH es un material oacuteptimo para
las diferentes condiciones establecidas el MH en cambio cumple con aacutengulos
menores a 72ordm con un ru=025 mientras que en condiciones totalmente
saturadas cumple para aacutengulos de inclinacioacuten menores a 59ordmcomo se evidencia
en el anexo 3modelacioacuten adecuada para taludes compuestos por suelos
expansivos
106
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 75deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
En la figura 36 se evidencia que para condiciones estaacuteticas el FS se cumple
para el material de CH mientras que para los otros materiales de MH y CL no
cumple con las condiciones debido a que se encuentra por debajo de lo
establecido que es de 15 con la altura de 10 m De esta manera se evidencia en
los tres materiales que el FS es inversamente proporcional al ru con cambios de
08 en el valor del ru=0 hasta un 15 para un CH mientras que para el MH
varia entre el 2488 hasta el 3734 y para un CL la variacioacuten es de 018 a
025 pues entre mayor es dicho coeficiente menor es el factor de seguridad
Siendo afectado igualmente por el aacutengulo de inclinacioacuten y la geometriacutea del talud
Es asiacute como se infiere que al aumentar el aacutengulo a 75ordm el factor de seguridad
disminuye siendo el valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
000 020 040 060
FS
RU
75ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
107
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 cuando se encuentra
amenazado por un factor de sismo se observa que para los suelos CH cumple
para el aacutengulo de 75ordm mientras que para el suelo MH cumple hasta condiciones
de ru= 01 lo que indica que para condiciones de ru= 025 04 y 05 no cumpliriacutea
con dicha condicioacuten es asiacute como se observa el CL no cumple las condiciones
miacutenimas para el factor de seguridad en condiciones dinaacutemicas
Al realizar los diferentes modelos con las condiciones descritas se observa que el
paraacutemetro geomecaacutenico que modifica el comportamiento de los suelos expansivos
presentes en un talud es la cohesioacuten por lo tanto se ejecuta sensibilizacioacuten del
paraacutemetro y se hace una anaacutelisis del comportamiento que presenta frente a
cambios de geometriacutea y paraacutemetro ru de donde se observa que de los valores
descritos en el anexo 4 Para un ru establecido con una altura y aacutengulos
seleccionados se debe tener una cohesioacuten mayor al valor presentado en la tabla
pues se tiene en cuenta que a partir de un factor de seguridad en condiciones
estaacuteticas 15 los valores de cohesioacuten deben estar por encima de dicho valor
mientras que en condiciones dinaacutemicas deben estar por encima del valor de 105
lo que indica que entre mayor sea el valor de cohesioacuten a los valores determinados
mayor seraacute la atraccioacuten y unioacuten de las partiacuteculas del suelo evitando asiacute que se
presente un proceso de remocioacuten en un talud aumentando respectivamente el
factor de seguridad
108
9 CONCLUSIONES
Se definieron los paraacutemetros geomecaacutenicos de los materiales que se analizan en
cada una de las modelaciones (arcillas y limos) a partir de la informacioacuten descrita
en los antecedentes del presente trabajo de grado Gracias al libro de Amer Ali Al-
Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soil En Effect of remolding
techniques on soil swelling and shear strength properties Londres Taylor amp
Francis e-Library 2006 a partir del cual se obtiene detalle sobre los
comportamientos de suelos expansivos en taludes de tal manera que se ejecutan
diferentes modelaciones en las que se tienen en cuenta cambios en la geometriacutea
con el fin de comparar los factores de seguridad a traveacutes de graacuteficas de las cuales
se concluyoacute
El factor de seguridad es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la
altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica de donde se observa
detalladamente la influencia de la altura en el disentildeo del talud en el cual se
identifica que para alturas de 20 m conformado por este tipo de suelos bajo esta
condiciones de modelacioacuten los factores de seguridad tanto en condiciones
dinaacutemicas como estaacuteticas estaacuten por debajo del valor descrito en la Norma Sismo
Resistente Colombiana tiacutetulo H tabla H69-1 en donde se especiacutefica que la
estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetica debe ser de 150
y para condicioacuten dinaacutemica 105 sin embargo para los taludes con alturas de 10 m
se identifica que los suelos compuestos por arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(MH) son materiales con excelentes comportamiento en condicioacuten estaacutetica y
dinaacutemica mientras que el limo inorgaacutenico de alta plasticidad es oacuteptimo en
condiciones criacuteticas con sismo y ru=05 para inclinaciones de 45deg o menores y
con sismo y ru=025 inclinaciones de 60deg o menores
109
La arcilla de alta plasticidad (CH) contiene una cohesioacuten mayor comparada a la
de la arcilla de baja plasticidad (CL) y al limo de alta plasticidad (MH) lo que
indica una mayor resistencia a la presencia de agua lo que genera mayor
estabilidad en el talud asiacute mismo el CH por presentar un valor de liacutemite liacutequido
mayor es susceptible al cambio de estado de plaacutestico a liacutequido contrario a lo que
sucede con el MH ya que su liacutemite plaacutestico es mayor al resto de los suelos debido
a esto es susceptible al cambio de estado de semi-soacutelido a plaacutestico De igual
manera para que la arcilla de alta plasticidad cambieacute de estado es necesario que
el suelo presente un mayor valor de ru=05 que en suelos expansivos este valor
es hasta 067
Para las modelaciones que se realizan en el presente proyecto se utiliza el
software Slidereg el cual resulta de faacutecil manejo con respecto al anaacutelisis del factor
de seguridad en diferentes condiciones de ru en estado dinaacutemico y sismo Asiacute
mismo el meacutetodo utilizado (Bishop simplificado) es un meacutetodo que a pesar de solo
satisfacer el equilibrio de momentos y no cumplir con la totalidad de las
ecuaciones de la estaacutetica presenta exactitud frente a los resultados que se
obtienen en comparacioacuten al meacutetodo ordinario El cual utiliza las dovelas en donde
se tiene en cuenta las fuerzas entre las mismas siendo el maacutes utilizado para
calcular el factor de seguridad de los taludes la uacutenica restriccioacuten que presenta es
que solo considera las superficies de falla circulares
Con respecto al aacutengulo de inclinacioacuten en un talud el mismo tiene una afectacioacuten
directa del factor de seguridad ya que a medida que la reconformacioacuten geomeacutetrica
del talud aumenta se genera una condicioacuten de inestabilidad directa con respecto
a la geometriacutea lo que se evidencia en las graacuteficas para un talud de 30ordm a 75ordm
respectivamente en un 28 en estado estaacutetico y un 16 en estado dinaacutemico para
un MH en estado estaacutetico es un factor de reduccioacuten de 59 mientras que en
dinaacutemico es del 42 y para CL es de 27 para dinaacutemico y estaacutetico
110
10 RECOMENDACIONES
Dentro de las recomendaciones se exponen las diversas limitaciones existentes en
cuanto a paraacutemetros geomecaacutenicos que se usan en las modelaciones y los
meacutetodos para observar el comportamiento mecaacutenico del suelo y el caacutelculo del
factor de seguridad
Para los paraacutemetros geomeacutetricos de los taludes modelados se recomienda el
disentildeo de taludes de 45deg a 60deg dependiendo del espacio del terreno ya que una
mayor inclinacioacuten implica mayores costos y el talud se hace susceptible a sufrir
procesos de remocioacuten en masa Asiacute mismo se recomiendan alturas de 10 m para
este tipo de suelos expansivos ya que mostraron mejores factores de seguridad
Cuando se tiene presencia de limos de alta plasticidad se hace necesario tener
inclinaciones en los taludes menores a 67ordm con alturas de 10m y Ru=0 mientras
que para un Ru=025 se recomienda hacer el disentildeo de un talud con una
inclinacioacuten menor a 51ordm y en estado dinaacutemico con una inclinacioacuten menor a 72ordm y
con un Ru=05 menor a 59ordm con el fin de que cumpla con los criterios descritos en
la Norma Sismo Resistente Colombiana titulo H
Para obtener el disentildeo de un talud en el presente proyecto de grado se
recomienda tener precisioacuten en el suelo sobre el cual se vaya a disentildear debido a
que se presenta los paraacutemetros geomecaacutenicos para resultados de factores de
seguridad que dependen por completo de la definicioacuten de los mismos y al
variarlos no se comportaraacuten de la manera en que se analizoacute en el presente trabajo
de grado Esto se comprueba durante la modelacioacuten realizada debido a que se
generan diferentes modelos con diferentes paraacutemetros geomecaacutenicos no
mencionados en el presente trabajo pero si tenidos en cuenta para la seleccioacuten
de los mismos
111
En la modelacioacuten de taludes del proyecto se utilizoacute el meacutetodo de Bishop
Simplificado para la modelacioacuten en el software Slidereg de tal manera que la
modelacioacuten queda abierta a la utilizacioacuten de los diversos meacutetodos existentes
112
11 BIBLIOGRAFIacuteA
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114
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H5Excavaciones y estabilidad de taludes
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1
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDAD
Fuente propia
ANGULO
(ordm) H(m) RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05
10 136 80 08 212 309 304 377 374 136 79 07 213 392 244 382 204 392 244 382 205 309 304 377 374
20 525 178 17 202 290 273 281 270 525 143 452 52 535 364 505 306 534 364 505 306 290 273 281 270
10 08 178 17 201 308 304 372 368 08 178 17 202 313 154 361 207 313 154 361 208 308 304 372 368
20 236 90 310 57 316 308 312 303 236 89 310 57 440 239 475 260 447 240 475 260 316 308 312 303
10 86 266 72 240 308 305 355 352 86 266 72 240 243 54 305 147 244 54 305 147 308 306 355 352
20 55 253 176 173 350 343 291 282 55 254 176 174 384 119 397 131 384 119 397 131 349 343 291 282
10 156 361 109 304 309 305 331 327 156 361 19 34 182 88 249 33 182 88 249 33 309 305 331 327
20 23 367 104 298 312 303 313 304 23 368 104 298 328 101 378 10 328 101 378 10 312 304 314 305
ANGULO
(ordm) H(m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICOESTAacuteTICO DINAgraveMICO RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 10 09 1982 2250 020 033 313 313 413 412 380 381
20 29 20 1333 2900 191 061 338 332 369 385 329 329
10 08 09 1908 1940 022 022 295 295 312 316 359 324
20 17 19 2760 2940 043 064 328 340 288 363 360 325
10 07 07 2025 1860 024 023 257 257 245 200 306 306
20 14 17 3026 3093 032 044 323 325 245 252 262 262
10 08 07 2488 2249 018 010 198 200 152 124 223 222
20 15 15 3914 3734 037 025 246 246 187 163 248 24775
45
60
462
475
472
516505
546
578
633
503
502
503
504
ALTURA DE 10 metros A 20 metros
460
473
526
535
527
551
574
628
CH MH CL
528
502
478
521
CH MH CL
DE ESTAacuteTICO A DINAacuteMICO
RU=00 A RU=05
CL
ESTATICO DINAMICO
RU=00 A RU=05 RU=00 A RU=05
CL
MH CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
CAMBIO DE RU
MH
30
MH
CH CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTATICO DINAMICO
30
45
60
75
CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
MH CL
ESTATICO DINAMICO
116
2
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA GEOMETRIacuteA
Fuente propia
H (m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 28 16 59 42 27 27
20 26 16 69 59 9 18
CH MH CL
CON INCLINACIONES DE 30ordm A 75ordm
117
3
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
Fuente propia
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
NO CUMPLE
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X lt669ordm X lt59ordm X lt51ordm X X X X X X X lt72ordm X lt59ordm
NO CUMPLE gt67ordm gt60ordm X gt52ordm X gt73ordm gt60ordm X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
10 CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
10
20
RU=00 RU=025 RU=05RU=00 RU=025 RU=05
20
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
10
20
CL
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
118
4
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOS
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 325 352 39 45 33 36 39 46 36 38 43 50 34 36 395 465 335 36 40 465
MH C(Knm2) 15 235 31 42 23 32 39 44 20 27 36 475 23 30 38 51 223 31 40 52
CL C(Knm2) 39 42 49 58 36 39 42 50 33 35 39 45 36 385 425 495 359 389 43 495
DINAacuteM
ICA
RU RU RU RU RU
ESTAacuteTI
CARU RU RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
RU
0 01 025 04 05
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 34 353 36 392 34 35 36 391 34 352 37 40 34 353 37 40 34 353 37 40
MH C(Knm2) 0 0 0 328 0 0 30 347 0 0 32 375 0 31 348 408 30 33 36 425
CL C(Knm2) 404 42 424 443 404 42 425 442 40 418 42 442 405 42 424 442 408 419 42 442
DINAacuteM
ICA
RU RU
04 05
RU
025
ANGULOS (ordm)ANGULOS (ordm)
0
RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
01
ANGULOS (ordm)
119
5
Poblacioacuten universo 43 631
Muestra 44 632
Individuo 45 633
Variables 45 634
64 FASES DEL PROYECTO 46
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas 46
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 47 642
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 48 643
7 DESARROLLO METODOLOGICO 49
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS 49
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH 51
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS 53
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 53 731
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 64 732
Paraacutemetros geomeacutetricos 67 733
74 DESARROLLO DEL MODELO 67
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 69 741
8 ANALISIS DE RESULTADOS 90
9 CONCLUSIONES 108
10 RECOMENDACIONES 110
11 BIBLIOGRAFIacuteA 112
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDADhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip116
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA
GEOMETRIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip117
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
6
EXPANSIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip118
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip119
7
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos 28
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa 30
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten 31
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos 32
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa 33
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos 37
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes 40
Tabla 8 Normatividad 42
Tabla 9 Variables 45
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos 50
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos 51
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no
consolidado no drenado Suelo natural antes de ser tratado 55
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos 58
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(CH) 61
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad
(CL) 62
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
68
Tabla 17Valores de factor de seguridad 77
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander 26
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo 39
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para MH 56
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para CL 57
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av 64
Figura 6Valores de Kst A max 65
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos 66
Figura 8 Modelo en slide para un CH 69
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico 70
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico 71
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico 71
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico 72
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico 72
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico 73
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico 74
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico 75
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico 75
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico 76
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico 76
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en
condicioacuten estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m 78
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 79
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros 80
Figura 23 Rangos de variables 81
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con
9
altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm 82
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con
ru=00 en condicioacuten estaacutetica 83
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y
05 en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm 84
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=0 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 90
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 92
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 94
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=000 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 96
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 98
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 99
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 101
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
45deg y altura de 10 m en CH MH y CL 103
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
60deg y altura de 10 m en CH MH y CL 104
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
75deg y altura de 10 m en CH MH y CL 106
10
GLOSARIO
Asentamientos deformacioacuten de un suelo
Asentamientos inmediatos causado por la deformacioacuten elaacutestica del suelo la
cual ocurre en estados del suelo saturado seco o huacutemedo
Asentamientos por consolidacioacuten es el cambio de volumen en suelos
cohesivos saturados debido a la expulsioacuten del agua que ocupan los poros Los
suelos cohesivos saturados son suelos arcillosos los cuales dependen de la
permeabilidad que contenga el suelo
Asentamientos por compresioacuten secundaria parte de una deformacioacuten que ya
sucedioacute y ocurrioacute con un esfuerzo efectivo constante con ninguacuten cambio de agua
en los poros siendo dependiente del tiempo esto ocurre por el reajuste del suelo
Colapso disminucioacuten raacutepida de volumen del suelo producida por el aumento de
los siguientes factores contenido de humedad grado de saturacioacuten tensioacuten
mediante actuante tensioacuten de corte y presioacuten de poros
Cohesioacuten es la atraccioacuten entre partiacuteculas originada por fuerzas moleculares y
peliacuteculas de agua Por lo tanto la cohesioacuten de un suelo variaraacute si cambia el
contenido de humedad esta propiedad se mide en kgcm2
Criterio de falla se da cuando en una familia de facetas de la tensioacuten alcanza
una inclinacioacuten criacutetica (f) con la normal a la faceta La ruptura seraacute cuando la
tensioacuten tangencial alcanza el valor mayor de esfuerzos cortantes
Expansioacuten la alteracioacuten de las condiciones naturales de una arcilla que
11
produzcan cambios en el contenido de agua esta se integra con la estructura
laminar de la arcilla y si estaacute confinado presentara una elevacioacuten en las presiones
internas del material
Factor de seguridad es empleado para comprender cuaacutel es el factor de que el
talud falle en las peores condiciones de comportamiento Fellenius (1927)
presentoacute el factor de seguridad como la relacioacuten entre la resistencia al corte real
calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte criacuteticos que tratan de
producir la falla a lo largo de una superficie supuesta
Friccioacuten es la resistencia al deslizamiento causado por la friccioacuten existente entre
las superficies de contacto de las partiacuteculas y su densidad de tal manera que es el
aacutengulo cuya tangente es la relacioacuten entre la fuerza que resiste el deslizamiento a
lo largo de un plano y fuerza normal aplicada a este plano
Geomecaacutenico implica el estudio geoloacutegico del comportamiento del suelo y las
rocas
Grietas de contraccioacuten fisuras relativamente anchas respecto a la longitud que
se abren cuando se contrae el suelo o una roca Su formacioacuten constituye un
fenoacutemeno caracteriacutestico de los suelos arcillosos que al descascararse forman una
red poligonal de las grietas de retraccioacuten
Grietas en cuntildea son verticales y son producidas en regiones friacuteas que se
encuentran formadas tras la congelacioacuten raacutepida del suelo
Hinchamiento separacioacuten de las laacuteminas que componen las arcillas por la
absorcioacuten de agua en el espacio inter-laminar
12
Iacutendice de plasticidad diferencia numeacuterica entre el Limite Liquido y el Limite
Plaacutestico Define el campo plaacutestico de un suelo y representa el porcentaje de
humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plaacutestico
Inestabilidad desequilibrio fluctuacioacuten e inconsistencia de un terreno cuando es
afectado por agentes externos
Limite liacutequido es el contenido de agua expresado en porcentaje respecto al
peso del suelo seco que delimita la transicioacuten entre el estado liacutequido y plaacutestico de
un suelo remoldeado o amasado
Liacutemite de contraccioacuten contenido de humedad por debajo del cual se produce
una reduccioacuten adicional de volumen o contraccioacuten en el suelo
Ladera declive lateral de un terreno cuya pendiente se conforma a traveacutes del
aacutengulo que se formoacute con la horizontal
Sensitividad proporcioacuten de la resistencia a compresioacuten simple en estado
inalterado entre la del estado remoldeado
Sensibilidad de paraacutemetros geoteacutecnicos es el anaacutelisis del comportamiento de
las propiedades que influyen en la estabilidad de taludes
Suelo parte superficial de la corteza terrestre bioloacutegicamente activa que proviene
de la desintegracioacuten o alteracioacuten fiacutesica
Suelos colapsables son los suelos que presentan un cambio de relacioacuten entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia uacuteltima
del material A este grupo pertenecen las arcillas cementadas los limos y rocas
13
de gran porosidad
Suelo expansivo es un tipo de suelo capaz de producir un aumento de volumen
en relacioacuten con los cambios de humedad que puedan llegar a presentarse Dichos
materiales tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla
debido a su estructura
Suelos desmoronables suelos en los que sin la presencia o cambio de
condiciones son capaces de producir colapso donde no existe un cambio abrupto
en relacioacuten presioacuten-deformacioacuten La saturacioacuten produce un cambio volumeacutetrico
debido al incremento de presioacuten de poros que origina la resistencia al corte del
suelo
Talud porcioacuten de tierra elevada de dimensiones variables generalmente
rematando por una cuneta y caracterizado por una vegetacioacuten especiacutefica Dicho
elemento es construido con el tiempo pero tambieacuten puede ser producto de la
ejecucioacuten realizada con una construccioacuten artificial con tierra o piedra de tal
manera que es conformada con cualquier superficie inclinada respecto a la
horizontal
Terreno porcioacuten de espacio generalmente plano de tierra en el cual no se tiene
nada construido de tal manera que se trata de un aacuterea en la que no existe un
edificio o algo que cubra la superficie del mismo
14
INTRODUCCIOacuteN
Uno de los problemas caracteriacutesticos de la ingenieriacutea civil es la estabilidad de
taludes ya que los suelos presentan comportamientos dependiendo de la
estructura que lo componen y de los factores tanto extriacutensecos como intriacutensecos
generando movimiento de tierras que pueden terminar siendo generadores de
procesos de remocioacuten en masa como deslizamientos debidos a fallas rotacionales
o traslacionales o caiacutedas de rocas y detritos generando afectaciones socio-
econoacutemicas a la regioacuten Por ello es importante abordar temas como la estabilidad
de taludes en suelos expansivos como lo son la arcilla de alta plasticidad (CH)
arcilla de baja plasticidad (CL) y limo de alta plasticidad (MH) con el fin de
identificar el comportamientos de dichos suelos ante variables geomeacutetricas de
nivel freaacutetico y sismo A partir de las propiedades geomecaacutenicas de los suelos
expansivos en estudio se modelan los taludes de los diferentes perfiles
estratigraacuteficos con la correspondiente asignacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos
por medio del software Slide reg en el que al variar las condiciones de sismo y
contenido de agua se analiza la influencia que tienen en el factor de seguridad del
talud
La escasez de informacioacuten en el tema del comportamiento de suelos expansivos
genera la importancia necesaria para estudiar y analizar el tema a profundidad
creando herramientas dirigidas a ingenieros civiles tanto en campo como en
oficina para disentildeos oacuteptimos de taludes
15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El territorio colombiano presenta variedad de suelos expansivos por su
complejidad en el comportamiento mecaacutenico se hace necesario conocer la
inestabilidad que pueden presentar principalmente este tipo de suelos1 Es asiacute
como en varias zonas de Colombia se evidencian climas friacuteos-secos lo que
ocasiona una condicioacuten de sequedad que hace que algunos tramos en los taludes
presenten caracteriacutesticas de suelos expansivos2 que se caracterizan por tener
liacutemites miacutenimos y maacuteximos de contenido de humedad entre los cuales se
presenta la expansioacuten y contraccioacuten
De esta manera se identifica que los suelos compuestos por arcillas y limos que
son capaces de retener gran cantidad de agua debido a su estructura este
proceso induce a movimientos que generan grietas y asentamientos del terreno
afectando directamente el comportamiento del suelo problema que se acusa con
los cambios estacionales debido a los ciclos de humedecimiento-secado asiacute
como la ascensioacuten de nivel freaacutetico3 de tal manera que esto presenta un riesgo
para los usuarios de las viacuteas que presentan esta tipologiacutea de material Otra de las
amenazas se identifica cuando ocurre un sismo debido a que estos suelos
tienden a transmitir las ondas del sismo con rapidez y amplitud lo que llega a
generar colapso del talud4
1 MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos
ambientalespg371 2 LEOacuteN SICARD Tomas Enrique Estado del Recurso del Suelo [en liacutenea]
lthttpwwwunperiodicounaleducodperarticleagroquimicos-envenenan-suelos-en-colombiahtmlgt [Citado en 9 de noviembre de 2013] 3ASEFA Patologiacuteas por arcillas expansivas Naturaleza y comportamiento [en liacutenea]
lthttpwwwconcretonlinecomindexphpoption=com_contentampid=3179ampItemid=27gt [citado en 5 agosto del 2015]
4CINNA LOMNITZ Las causas probables de la cataacutestrofe siacutesmica del 19 de septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica
UNAM Ciencia y desarrollo septiembreoctubre 1988 Vol XIV Nuacutem 82 CONACYT
16
Es asiacute como en varios lugares se han reportado movimientos en masa como
deslizamientos y fallas rotacionales en los cortes realizados en laderas debido a
la inestabilidad generada por los materiales de los que se encuentran compuestos
los suelos5
Debido a lo anterior se requiere hacer un estudio a los suelos expansivos los
cuales se identifican mineraloacutegicamente con la determinacioacuten de propiedades
baacutesicas tambieacuten a traveacutes de meacutetodos indirectos del potencial expansivo y
medidas directas de la expansioacuten esto con el fin de observar las caracteriacutesticas
geomecaacutenicas en la ejecucioacuten de taludes seguacuten los factores baacutesicos miacutenimos
descritos en la norma sismo resistente (NSR-10) Titulo H241
Es importante conocer iquestCuaacutel es el comportamiento de los paraacutemetros
geomecaacutenicos de taludes compuestos por suelos expansivos ante variables de
nivel freaacutetico geomeacutetria y sismo
5SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47 regionales [en liacutenea]
lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
17
2 ANTECEDENTES
Uno de los temas de mayor intereacutes en la Ingenieriacutea Civil es la estabilidad del
suelo debido a sus inesperados y diferentes comportamientos para los cuales se
hace necesario el estudio y anaacutelisis taludes con el fin de lograr estabilidad y
factores de seguridad oacuteptimos cuando se encuentran compuestos por suelos
expansivos
Se han presentado diferentes casos en donde se vuelve indispensable realizar
una caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes para el anaacutelisis de la vulnerabilidad
que tiene un sitio referente a un talud en donde se cuenta con aspectos que
definen la amenaza asociada valores encontrados para la vulnerabilidad fiacutesica6
metodologiacutea para la cual se determina el riesgo asociado a dicha vulnerabilidad
En torno a este tema en particular la mayoriacutea de las investigaciones trabajan de
forma aislada la amenaza la vulnerabilidad y no evaluacutean en forma precisa el
riesgo por la accioacuten de procesos de remocioacuten en masa que desestabilizan los
taludes con base en el esquema de la caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes es
posible desarrollar una metodologiacutea que evaluacutee el riesgo asociado a inundaciones
sismos vientos o realizar una metodologiacutea integral que involucre todas esas
variables7
En Colombia se presentan casos diversos de falla en viacuteas un ejemplo es la falla
que ocurrioacute en la viacutea Manizales ndash Mariquita Tramo 5006 Debido a la inadecuada
entrega de la alcantarilla presente en ese sitio esto produjo socavacioacuten en el talud
inferior de la viacutea quitaacutendole el soporte al muro ocasionando su volcamiento Ello
6 HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y vulnerabilidad Fiacutesica por taludes y laderas inestables
en la micro Cuenca de la quebrada Cay Ibagueacute Universidad del Tolima Departamento del Tolima Maestriacutea en
planificacioacuten y manejo ambiental de cuencas 2013 pg 119
7 ibiacuted p 119
18
acelero la rotura de un acueducto veredal que satura el relleno causando paso
restringido de vehiacuteculos a un solo carril8 El objetivo de este estudio fue identificar
las diferentes formas de estabilizacioacuten y plantear la solucioacuten definitiva
correspondiente a un sistema de estructura que consta de pilotes metaacutelicos
generando estabilizacioacuten del talud
La Universidad Nacional incluye en un estudio realizado como parte de la
caracterizacioacuten fiacutesica algunas teacutecnicas para el anaacutelisis de la composicioacuten
mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y propiedades
iacutendice en las arcillas de Barranquilla En donde se tomoacute como base el cambio
volumeacutetrico descrito en la mayoriacutea de investigaciones y como aporte al
conocimiento del comportamiento expansivo de las arcillas del distrito de
Barranquilla (Colombia) con desarrollo de un programa experimental orientado a
caracterizar sus propiedades fiacutesicas micro-estructurales y de comportamiento
geoteacutecnico en muestras naturales inalteradas La caracterizacioacuten fiacutesica incluye
composicioacuten mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y
propiedades iacutendice la microestructura de muestras naturales se analiza
cualitativamente usando teacutecnicas microscoacutepicas (oacuteptica y electroacutenica de barrido) y
deducciones indirectas a partir de curvas de retencioacuten de agua (CRA) por uacuteltimo
el comportamiento geomecaacutenico se enfoca en el estudio del cambio volumeacutetrico
en condiciones de humedecimiento - saturacioacuten y procesos de carga ndash descarga9
Alliacute se concluyoacute que el potencial de expansioacuten colapso bajo carga no depende
exclusivamente de la carga vertical aplicada antes de la saturacioacuten sino de las
condiciones de faacutebrica y succioacuten inicial del material esto difiere en lo que se
encuentra en estudios realizados en la zona10
8 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de
Campoalegre ndash Ciudad de Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
9 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
10 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
19
Se han desarrollado variedad de estudios sobre el comportamiento de suelos
expansivos como ejemplo el libro Expansive Soils editado por Amer Ali Al-Rawas
ampMattheus FA Goosen en el cual se describen avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento de suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar inconvenientes causados por la presencia de
los mismos en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada por la
expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten que presentan
debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel freaacutetico Se analizoacute el efecto
de las teacutecnicas de remoldeo en el hinchamiento de suelos y las propiedades de las
fuerzas de cizallamiento que se presentan en los resultados de los efectos de
meacutetodos sobre la presioacuten por oleaje en el suelo resistencia a la compresioacuten
inconfinada Para lo cual se tomaron tres tipos de suelos CH CL y ML con
muestras inalteradas que fueron seleccionadas en la zona norte de Jordania con
una amplia gama de contenido de arcilla
Las propiedades fiacutesicas de estos suelos incluyendo la gradacioacuten el liacutemite plaacutestico
y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco maacuteximo y el
contenido oacuteptimo de agua se obtienen a traveacutes de las especificaciones con las
que cuentan las normas ASTM Las muestras de suelos perturbados y no
perturbados se obtuvieron de los lugares descritos en el paacuterrafo anterior y fueron
probadas en el laboratorio de mecaacutenica de suelos en Jordan Universidad de
Ciencia y Tecnologiacutea Los especiacutemenes remoldeados estaban preparados para la
compresioacuten inconfinada y los ensayos de hinchazoacuten utilizando tres teacutecnicas de
remoldeo dinaacutemicas estaacuteticas y amasado Esto con el fin de lograr un estudio en
el potencial de hinchamiento de ese tipo de suelos ante los diferentes ensayos La
evaluacioacuten de la presioacuten debida a la hinchazoacuten la inflamacioacuten potencial y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada se vio afectada por el meacutetodo de
remodelacioacuten
20
Por lo tanto de este ensayo se concluyoacute que las muestras inalteradas obtienen
valores altos de presioacuten de hinchamiento la remodelacioacuten dinaacutemica tuvo los
valores maacutes altos de la hinchazoacuten y la compresioacuten inconfinada seguido por la
fuerza estaacutetica y el remoldeo por amasado respectivamente de esta manera se
observa que el contenido inicial de agua afecta tanto a la presioacuten de la hinchazoacuten
como a la resistencia a la compresioacuten inconfinada
De esta manera se encuentra el desarrollo de otro estudio ejecutado en el libro de
Expansive Soils en donde se describe una serie completa de pruebas referidas a
la compresioacuten no confinada (UC) no consolidado no drenado (UU) triaxiales y
columna resonante (RC) se realizaron sobre muestras estabilizadas
quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del sureste de Arlington Texas
despueacutes de haber sido sometido a ciclos (WD) repetidos de humectacioacuten-secado
inducido artificialmente en el laboratorio los cuales arrojaron unos resultados que
se utilizaron para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo plazo la
rigidez el efecto de hincharse y su continua contraccioacuten brindoacute respuesta del
suelo tratado incluyendo resistencia a la compresioacuten no confinada sin olvidar
resistencia al corte moacutedulo de corte dinaacutemico y material de amortiguacioacuten Se
utilizoacute meacutetodos de estabilizacioacuten que incluyen sulfato resistente cemento Tipo V
baja en calcio clase F mosca ceniza cal viva mezclaacutendolas con fibras de
polipropileno Muestras de suelo que se trataron y fueron curadas durante 7 diacuteas y
despueacutes se sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la UC UU y RC
la prueba Un ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua
potable en la sala de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a
140 F Encargoacute caacutemaras wd que permiten el monitoreo de 1-D al hincharse y
encogerse siendo esta la respuesta durante wd repetido Una dosis -por peso del
10 de cemento Tipo V el cual brinda mejor rendimiento general bajo realizado
con el ensayo de la resistencia al corte sin drenaje En donde se halloacute que Las
cenizas presentan malos resultados en comparacioacuten a todos los estabilizadores
21
con una simultaacutenea disminucioacuten de la c y bajo continuo w - d Aunque los valores
de fibras de cal suelo tratado tienden a aumentar con wd repetido Sin embargo
todos los suelos tratados superaron suelo natural despueacutes de 32 ciclos wd con el
tipo del 10 V suelo con cemento tratado mostrando un mejor rendimiento c-
De tal manera que la presencia de agua en este tipo de suelos los hace menos
resistencia a el ensayo de compresioacuten a fuerzas cortantes o de cizallamiento
debido a que alteran su estructura interna generando comportamientos
inadecuados para el cuerpo ingenieril debido a que se veraacuten afectadas las
construcciones realizadas sobre los mismos de esta manera seraacute necesario hacer
un tratamiento de estabilizacioacuten para proveer caracteriacutesticas mecaacutenicas
apropiadas de los suelos expansivos 11
11
Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos
y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
22
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos
por suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos
23
4 JUSTIFICACIOacuteN
Los suelos expansivos presentan algunas propiedades que pueden llegar a
generar variaciones en el comportamiento del suelo como los cambios
volumeacutetricos en presencia o ausencia de agua produciendo expansioacuten y
contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad portante y resistencia al corte
cuando se incrementa el contenido de agua
Al realizar cortes en laderas se presenta un cambio en la condicioacuten de resistencia
inicial del material lo que genera inestabilidad y un inminente riesgo el
comportamiento del suelo se analiza a traveacutes de la sensibilizacioacuten de paraacutemetros
que conduce a la mejora del factor de seguridad con respecto al disentildeo debido a
esto se llevoacute a cabo una comparacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes
los cuales brindaron soluciones oacuteptimas para el disentildeo de los mismos en suelos
expansivos
Es importante realizar el estudio de suelos expansivos y su comportamiento en
taludes ya que este tipo de suelos generan desplazamientos de materiales
Debido a que los suelos se hidratan y se hinchan estas condiciones se presentan
naturalmente tanto en eacutepocas de lluvia y en eacutepocas de sequia
Los riesgos que presenta en un proceso de estos son
Asentamientos en muros y cimientos
Deformacioacuten en los pavimentos y aceras
Movimientos de laderas
Roturas de cantildeerias y drenajes
Aparicioacuten de cavidades por disolucioacuten de sales
24
La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento de paraacutemetros
geomecaacutenicos en taludes ante variables de afectacioacuten para lo cual se realizan
aacutebacos que permitan identificar la manera en la que se ven afectados dichos
taludes y asiacute predecir su comportamiento por medio de programas de modelacioacuten
para el disentildeo de taludes con el fin de encontrar el factor de seguridad de disentildeo
y obtener las condiciones necesarias para la construccioacuten del mismo pensando en
el beneficio de la poblacioacuten
25
5 MARCO REFERENCIAL
El trabajo estaacute basado en la presentacioacuten de anaacutelisis sobre el comportamiento de
suelos expansivos en taludes con el fin de observar la inestabilidad del terreno el
cual se manifiesta mediante desplazamientos implicando ruina total o parcial de
sitios aledantildeos en donde se presenta este tipo de procesos de remocioacuten en masa
Este anaacutelisis conduce a un estudio referente a propiedades de los suelos que son
importantes las cuales generan cambios volumeacutetricos en presencia o ausencia de
agua produciendo expansioacuten y contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad
portante y resistencia al corte cuando se incrementa el contenido de agua
Es necesario tener presente conceptos como la composicioacuten y comportamiento
mecaacutenico de suelos expansivos que componen taludes asiacute mismo la afectacioacuten
que pueden generar estos suelos cuando son intervenidos por sismo y lluvia
Para el desarrollo de lo anterior se llevaraacute a cabo la presentacioacuten de los conceptos
tales como arcillas expansivas deslizamientos procesos de remocioacuten en masa
sensibilidad de paraacutemetros y anaacutelisis determiniacutestico
51 MARCO CONCEPTUAL
En el marco conceptual se establecen conceptos relacionados con la
investigacioacuten sobre la presencia de suelos expansivos como arcillas de baja alta
plasticidad y limos de alta plasticidad en taludes debido a que estaacute clase de
suelos tienen caracteriacutesticas de respuestas y comportamientos de expansioacuten y
contraccioacuten asociadas al humedecimiento y secado Por lo tanto la descripcioacuten
de estos comportamientos requiere el uso de un marco conceptual que incorpore
aspectos de anaacutelisis determiniacutesticos y meacutetodos de anaacutelisis con respecto al
comportamiento geomecaacutenico
26
Suelos Expansivos 511
Material susceptible que genera cambios de volumen los cuales se encuentran
directamente relacionados con cambios de humedad o variacioacuten con respecto al
contenido de agua La estructura del material retiene grandes cantidades de agua
lo que puede producir un aumento de volumen notorio12
El contenido de humedades un factor importante cuando se habla de la expansioacuten
de un suelo esto se presenta solo en los suelos expansivos como se observa en
la figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander cuando existen
variaciones climaacuteticas que influyen directamente en el comportamiento
generando grietas en el suelo13
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander
Fuente httpgooglaVWI0V
12
INGSPATRONE J amp PREFUMO JE La accioacuten de los suelos expansivos sobre las cimentaciones meacutetodos de
prevencioacuten y control Paacuteg 1-16[en
linea]lthttpwwwumeduuy_upload_descargaweb_descarga_204_AccindesuelosexpansivosAntildeo 2004gt[citado en 5 de
agosto del 2015]
13 Ibidp12
27
5111 Identificacioacuten de suelos expansivos
Los suelos expansivos se identifican de manera visual por varias caracteriacutesticas
tienen alta plasticidad si se observan en el terreno se encontraraacuten grietas
ocasionadas por la expansioacuten y contraccioacuten constante que sufre dicha superficie
esto se presenta cuando hay variacioacuten de humedad14
La identificacioacuten mineraloacutegica es una de las principales formas por las cuales se
ubican los suelos expansivos debido a que los meacutetodos maacutes recomendados son
difraccioacuten de rayos x anaacutelisis teacutermico diferencial anaacutelisis quiacutemico absorcioacuten de
tinte y la microscoacutepica electroacutenica Las cuales consisten en detectar la presencia
de minerales arcillosos que resultan expansivos15
5112 Ensayos de identificacioacuten de suelos expansivos
Es necesario ejecutar una valoracioacuten frente al comportamiento que puede llegar a
presentar un suelo con presencia de arcillas y limos cuando es sometido a
diferentes situaciones donde se ve alterada su composicioacuten de tal manera que
los diferentes ensayos permiten hacer un acercamiento de lo que sucede en la
realidad y especialmente en casos donde el suelo presenta humedad La tipologiacutea
y descripcioacuten de este tipo de ensayos se presenta en la tabla 1 Ensayos y
laboratorios en suelos descrita a continuacioacuten
14
INGSPATRONE Jamp PREFUMO JE Opcit1-16
15Ibid p1-16
28
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos
ENSAYOS Y LABORATORIOS
DESCRIPCIOgraveN
Hinchamiento Libre
Se humecta el suelo permitiendo una expansioacuten vertical
de una probeta por lo que el confinamiento lateral impide
la deformacioacuten lateral se realiza sobre muestras
inalteradas saturadas
Determinacioacuten de la presioacuten maacutexima del
hinchamiento
Impide la expansioacuten vertical al aplicar tensioacuten vertical
necesaria que compensa dicho hinchamiento se realiza
sobre muestras inalteradas Y saturadas
Ensayo de Lambe
Consiste en la preparacioacuten de una probeta de suelo que
se compacta en condiciones estandarizadas de humedad
inicial de tal manera que se impide una expansioacuten lateral
confinaacutendola en un anillo Una vez producida la
inundacioacuten de la ceacutelula se determina la tensioacuten maacutexima
de tensioacuten mediante un anillo dinamomeacutetrico con el
bastidor quienes se encargan de ejercer la reaccioacuten ante
la fuerza de expansioacuten que manifiesta la muestra al
hinchar El valor de esta tensioacuten maacutexima de hinchamiento
permite una clasificacioacuten cualitativa del material en
funcioacuten de ciertos grados de expansividad
Ensayo de volumen de sedimentacioacuten
Este criterio fue dado por Holtz y Gibbs el cual se utilizaba
para averiguar el potencial de hinchamiento de un suelo
consiste en depositar 10 cm3 de suelo seco que pase por
el tamiz Nordm40 en un cilindro graduado con 100 cm3 de
agua y se observa el aumento del volumen de la muestra
una vez sedimentada debido al hinchamiento dio
resultado se expresa en porcentaje de aumento de
volumen respecto al volumen inicial del suelo
Liacutemite Liacutequido
Es el contenido de humedad para el cual el suelo pasa
de un estado liacutequido a plaacutestico el ensayo que permite
determinar el liacutemite liquido consiste en colocar diferentes
muestras de suelo con humedad variable en un
recipiente o taza metaacutelica accionada por medio de una
manivela que se encarga de levantarla y dejarla caer
29
Fuente compilacioacuten propia tomado de Ensayos sobre suelos expansivos[en
liacutenea]lthttpwwwestudiosgeotecnicosinfoindexphpensayos-laboratorio-suelos-expansivosgt [citado en 5 de agosto del
2015]
Liacutemite liacutequido
repetidas veces Antes de inicia el ensayo se realiza una
ranura de diferentes dimensiones con una espaacutetula
contando el nuacutemero de golpes con el fin de que la ranura
quede frac12 pulgada cerrada Dichos datos se grafican y
cuando la curva obtenida corta la liacutenea correspondiente a
los 25 golpes se considera este valor como el limite
liquido del suelo
Liacutemite Plaacutestico
Es el contenido de humedad para el cual se cambia del
estado plaacutestico al semisoacutelido de tal manera que en el
estado plaacutestico el suelo es semi moldeable mientras que
en el semisoacutelido se agrieta amoldaacutendose El limite plaacutestico
queda definido cuando el suelo contiene justo la humedad
necesaria para que al amasar manualmente bastoncitos
de 03 cm estos no se agrieten y se rompan
Liacutemite de Retraccioacuten
Este liacutemite queda determinado por la miacutenima cantidad de
agua necesaria para llenar los poros de una muestra de
suelo seco a este liacutemite corresponde el menor volumen de
la masa del suelo determinado por la frontera entre el
estado soacutelido y semisoacutelido En las arcillas este liacutemite
alcanza el 5 y el 10 lo que indica que la capacidad
portante se incrementa a medida que disminuye el
porcentaje de humedad
Ensayo de Triaxial
A traveacutes de esta prueba se identifican las propiedades
de tensioacuten- deformacioacuten del suelo en este ensayo una
muestra de suelo ciliacutendrica normalmente con una
relacioacuten de altura-diaacutemetro se somete a dos
incrementos de tensioacuten axial y radial dicha muestra se
encuentra protegida con una membrana y las tensiones
radiales son impuestas por una presioacuten de confinamiento
en todas sus caras Los esfuerzos axiales son impuestos
por un vaacutestago que penetra la caacutemara de confinamiento
hasta que se produce la rotura
30
De esta manera se hace necesario identificar los tipos de deslizamientos que se
presentan en taludes los cuales generan un proceso de remocioacuten en masa
afectando de manera directa la poblacioacuten a niveles sociales econoacutemicos entre
otros identificados en la tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Fuente Compilacioacuten propia del libro de Suarez Jaime Diacuteaz Deslizamientos y estabilidad de taludes
31
ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL
BLANDO
ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES
TIPO IMAGEN
MATERIAL HOMOGENEO
MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
Seguacuten la composicioacuten y estructura del talud se produce un tipo deslizamiento esto
puede observarse en la tabla 3Efectos de la estructura en la formacioacuten de
deslizamientos de rotacioacuten donde se describe el efecto del deslizamiento
causado seguacuten la estructura del talud
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten
32
Por lo tanto Los paraacutemetros geomecaacutenicos son elementos necesarios que ayudan
a la comprensioacuten del anaacutelisis con respecto al comportamiento del suelo en el
presente trabajo se hace el estudio de los paraacutemetros descritos en la tabla 4
Paraacutemetros geomecaacutenicos
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Conociendo los paraacutemetros geomecaacutenicos que componen cada uno de los suelos
se identifica el concepto de remocioacuten en masa el cual es el desplazamiento de
grandes voluacutemenes de material superficial descrito de manera detallada en la
tabla 5Procesos de remocioacuten en masa
PARAacuteMETRO CONCEPTO ECUACIONES DESCRIPCIOacuteN
DENSIDAD
Relacioacuten entre la unidad de peso y la unidad de
voluacutemen de la fase soacutelida del suelo siendo maacutes o
menos constante ya que estaacute determinado por la
composicioacuten quiacutemica y mineraloacutegica de la fase
soacutelida
ρ=mV
ρ= densidad
m= masa
V= volumen
PESO ESPEacuteCIFICO
Se definen peso especiacutefico relativo a la relacioacuten entre
el peso especiacutefico de una sustancia y el peso
especiacutefico del agua destilada a 4 grados centigrados
sujeta a una atmoacutesfera de presioacuten
Pc=pV
Pc= Peso especigravefico
P=Peso
V= volumen
CARACTERISTICAS
ESTRUCTURALES
Se refiere a la orientacioacuten de las discontinuidades
tamantildeo y forma de rocas espaciado grado de
fracturacioacuten del macizo rocoso aacutengulo de inclinacioacuten
No aplica
EFECTO DEL AGUA
La estabilidad del talud y resistencia al cizallamiento
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos
33
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa
Fuente Ajustado de httpjulsgeoambientaljimdocomportafolioremocioacuten en masa
Es asiacute como el subsuelo o sustrato es la capa de suelo debajo de la capa
superficial de la tierra El cual incluye sustancias como arcilla yo arena que soacutelo
han sido parcialmente desglosadas por aire luz solar agua viento etc para
producir suelo verdadero Debajo del subsuelo estaacute el sustrato que puede
ser rocoso de sedimentos o depoacutesitos eoacutelicos en gran medida afectados por
factores formadores de suelo activo en el subsuelo El subsuelo contiene
LITOLOacuteGICOS ESTRUCTURALES TOPOGRAacuteFICOS ANTROacutePICOS TECTOacuteNICOS CLIMAacuteTICOS
El material superficial
se encuentra suelto y
puede ser removido
con facilidad en una
ladera por efecto de la
presioacuten de una
cantidad de agua
necesariamente si
bajo este material
superficial existe roca
consolidada e
impermeable
En el relieve se
presentan grietas o
diaclasas juntas que
por efecto de la
meteorizacioacuten fiacutesica
quiacutemica o bioloacutegica
provocan el
desmenuzamiento o
descomposicioacuten de
las rocas
Existen laderas de
montantildeas de colinas
con pendiente
abruptas o de terrenos
muy inclinados
En aacutereas con
pendientes
fuertemente taladas
(deforestadas) por el
hombre el material
superficial queda
expuesto a la
intemperie
Las ondas siacutesmicas
provocan el
desplazamientode
materiales
superficiales o de
unidades maacutes
importantes del relieve
como puede ser un
aacuterea accidentada o
no
Caen fuertes
precipitaciones o
caen de manera
continua provocan
deslizamientos sea
por aumento de
sobrecarga o por
cambios extremos en
las temperaturas las
cuales quiebran los
mantos rocosos
Es el desplazamiento de grandes voluacutemenes de material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por accioacuten directa de la fuerza de
gravedad hasta volver a encontrar un nuevo punto de reposo Los movimientos de masa se presentan sobre todo en la eacutepoca lluviosa o
durante una actividad siacutesmica
PROCESOS DE REMOCIOacuteN EN MASA
Se produce porque la fuerza actuante (sobrecarga) que es originada normalmente por el agua ejerce una presioacuten hacia abajo que rompe el
equilibrio existente hasta ese momento la gravedad proporciona la energiacutea adicional requerida para que se produzca el movimiento
descendente En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve se origina fundamentalmente por los movimientos siacutesmicos
FACTORES
CONCEPTO
ORIGEN
MOVIMIENTOS COMUNES
Formacioacuten de una superficiede ruptura recta o
curvada a partir de la cual se desplaza toda la
porcioacuten de terreno separada del conjunto con
la misma velocidad en todas sus partes
conservando su estructura y forma original
DESLIZAMIENTOS REPTACIOacuteN
Movimiento lento del suelo yo de detritos
rocosos cuesta abajo por lo general no
perceptible que afecta la parte superficial de
la ladera la capa de suelo y en algunos casos
la parte superior de la roca alterada Causas
lluvias o de fusioacuten de nieves que saturan los
suelos en ambientes huacutemedos y sobre
laderas con pendientes moderadas
DERRUMBAMIENTO
Incluye movimientos y caida directa de
material rocoso de variable dimensiones
Son causados por La fuerza gravitacional de
la tierra Grado e inestabilidad de fracturas de
la roca Efecto de meteorizacioacuten Efectos de
congelamiento del agua en las fracturas
34
partiacuteculas parcialmente degradadas por lo general de un tono maacutes claro de color
marroacuten o amarillo y contiene las raiacuteces profundas de las plantas grandes como los
aacuterboles
Existen diferentes meacutetodos de exploracioacuten para tomar muestras alteradas e
inalteradas
Una muestra alterada es aquella que estaacute constituida por material
disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales
para conservar las caracteriacutesticas de estructura y humedad in situ no
obstante en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua
original del suelo para lo cual las muestras se envasan en recipientes
impermeables y se transportan de forma que esteacuten protegidas de los
agentes atmosfeacutericos Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de
suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice y preparar especiacutemenes
compactados para someterlos a pruebas mecaacutenicas (SAHOP 1974)
Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura no
sufre de alteraciones quiacutemicas ni de humedad es decir conserva las
propiedades que teniacutea in situ Estas muestras se utilizan en el laboratorio
para identificar el tipo de suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice
y mecaacutenicas16
Las muestras inalteradas se obtendraacuten de suelos finos que pueden labrarse sin
que se disgreguen La obtencioacuten puede efectuarse en el piso o en las paredes de
una excavacioacuten como en un pozo a cielo abierto en la superficie del terreno
natural o en la de una terraceriacutea La excavacioacuten para obtener una muestra deberaacute
16Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015]
35
ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extraccioacuten de
la misma Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo
en su estado natural por lo que su obtencioacuten empaque y transporte requieren
cuidados especiales a fin de no alterarlas Las muestras deben ser identificadas
claramente Las superficies que esteacuten expuestas deben ser protegidas con
material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que
amortiguumlen las vibraciones que pudiera sufrir 17
5113 Problemas de los suelos expansivos en taludes y laderas ante
solicitaciones
Los terrenos con pendiente pronunciadas son aquellos que tienen susceptibilidad
ante fenoacutemenos como lo son los deslizamientos amplificacioacuten siacutesmica entre
otros18
Un sismo en materiales expansivos brindaraacute una respuesta dinaacutemica generada
por los suelos esto dependeraacute de las condiciones del esfuerzo de confinamiento y
del nivel de deformacioacuten que presenten los materiales de esta manera el suelo
no disipara energiacutea por poco amortiguamiento y la degradacioacuten a traveacutes de los
ciclos seraacute pequentildea lo cual indica una respuesta elaacutestica lineal Es asiacute como a
grandes deformaciones el suelo disipa mayor energiacutea por alto amortiguamiento y
la presioacuten de poro iguala el esfuerzo efectivo de confinamiento producieacutendose un
deterioro del suelo y por consiguiente la peacuterdida de resistencia por lo tanto la
respuesta es no lineal donde la rigidez decrece con el nuacutemero de ciclos19
17
Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015] 18
Criterio para calificar los suelos con fines urbanos [en liacutenea]lt httpesslidesharenetcarlosjcamachopresentacin-
de-la-materia-3742687gt [citado en 3 de octubre del 2009] 19
Comportamiento Dinaacutemico de las Arcillas [en liacutenea]
lthttpwwwptolomeounammx8080jspuibitstream132248521006014A4pdfgt[citado en 2 de enero del 2009]
36
Otro de las solicitaciones que modifican el estado de un talud se refiere a la
cantidad de agua que se infiltre por el suelo debido a que los periodos climaacuteticos
del antildeo se modifican y dependiendo de la cantidad de precipitacioacuten aumentaraacute o
disminuiraacute el nivel freaacutetico es asiacute como los suelos expansivos sufriraacuten aumento o
disminucioacuten de volumen seguacuten la cantidad de agua sea mayor o menor lo que
causara el hinchamiento en eacutepocas de lluvia y retracciones en eacutepoca seca
generando grietas y posterior rotura del suelo
Por consiguiente la gravedad podraacute causar deslizamientos con este tipo de suelos
De esta manera se presentaran perdida de asentamientos en muros y cimientos
deformacioacuten en pavimentos en las aceras movimientos de laderas y aparicioacuten de
cavidades por disolucioacuten de sales
En el caso de las cargas soportadas por suelos expansivos como lo son
pequentildeas zapatas soportando cargas livianas son faacutecilmente levantadas
mientras que cuando las zapatas son de gran tamantildeo y soportan cargas pesadas
no ocurre este proceso20
5114 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Dentro de los meacutetodos de exploracioacuten de suelos existen dos clasificaciones
meacutetodos directos y meacutetodos indirectos En la tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de
suelos se muestra una clasificacioacuten general de los meacutetodos de exploracioacuten maacutes
usuales y una breve descripcioacuten21
20
Villalaz Carlos Crespo Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta edicioacuten MexicoLimusa2004ISBN 968-18-6489-1
21 Tesis Meacutetodos de exploracioacuten de suelos [En liacutenea] lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en
23 de Junio de 2015]
37
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Meacutetodo Descripcioacuten
Meacutetodos
directos
Pozos a cielo
abierto
Es el meacutetodo maacutes satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo
Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse
en eacutel examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer
muestras alteradas e inalteradas Su aplicacioacuten eficiente resulta sobre suelos
cohesivos
Pala
posteadora
Es un meacutetodo manual de exploracioacuten somera que consiste en hincar un barreno y
obtener muestras del tipo alterado pero representativas en cuanto al contenido de
agua Se utiliza en lugares donde otros equipos mecaacutenicos no pueden ser usados
Tubo Shelby Consiste en un tubo afilado de 75 a 10 cm de diaacutemetro que se hincan a presioacuten
para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o
semiduros
Sondeo de
penetracioacuten
estaacutendar
Con esta teacutecnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la
resistencia al corte con el nuacutemero de golpes con el que se hinca el penetroacutemetro
una distancia de 30 cm El equipo consta de un penetroacutemetro el cual se hinca a
golpes mediante un martinete de 635 kg que cae desde 76 cm de alto
Muestreador
Denison
Consiste en dos tubos conceacutentricos que se hinca en el suelo para obtener
muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyeccioacuten de fluido de
perforacioacuten que se hace circular entre ambos tubos
Meacutetodos
indirectos
Meacutetodo
siacutesmico
Consiste en provocar una explosioacuten en un punto determinado del aacuterea a explorar
usando una pequentildea carga de explosivo usualmente nitro amonio Por la zona a
explorar se situacutean geoacutefonos cada 15 oacute 30 cm Este procedimiento se funda en la
velocidad de propagacioacuten de las ondas vibratorias de tipo siacutesmico a traveacutes de
diferentes medios materiales
Meacutetodo de
resistividad
eleacutectrica
Consiste en inducir una corriente eleacutectrica a traveacutes de los suelos de tal forma que
se presente una mayor o menor resistividad eleacutectrica para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo Mayores resistividades corresponden a rocas
duras siguiendo con rocas suaves y asiacute sucesivamente hasta valores menores
correspondientes a suelos suaves saturados
Meacutetodos
magneacuteticos y
gravimeacutetricos
Para el primero se utiliza un magnetoacutemetro que mide la componente vertical del
campo magneacutetico terrestre en la zona considerada en varias estaciones
proacuteximas entre siacute En los meacutetodos gravimeacutetricos se mide a aceleracioacuten del
campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar La informacioacuten
que proveen estos meacutetodos es algo erraacutetica y difiacutecil de interpretar
Fuente Ajustado de httptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdf
38
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 512
Se describen los diferentes meacutetodos de anaacutelisis en taludes con la finalidad de
observar la diferencia entre los mismos e identificar cuaacutel de ellos cumple con la
desarrollo del trabajo en el anaacutelisis del valor de factor de seguridad resumidos en
la graacutefica 2 Meacutetodos de caacutelculo
5121 Meacutetodos de equilibrio liacutemite
Se basan en leyes de la estaacutetica determinando el estado de equilibrio de un
terreno inestable No tienen en cuenta las deformaciones del terreno Suponen
que la resistencia al corte se moviliza total y concordantemente a lo largo de la
superficie de corte Se pueden clasificar en dos grupos
bull Meacutetodos exactos
bull Meacutetodos no exactos
5122 Meacutetodos exactos
El uso de las leyes de la estaacutetica da una solucioacuten exacta al problema Esto soacutelo es
posible en taludes de geometriacutea sencilla como por ejemplo la rotura planar y la
rotura por cuntildeas
5123 Meacutetodos no exactos
En la mayoriacutea de los casos la geometriacutea de la superficie de rotura no permite
obtener una solucioacuten exacta del problema solamente mediante la aplicacioacuten de las
leyes de la estaacutetica El problema es hiperestaacutetico y ha de hacerse alguna hipoacutetesis
previa que permita su resolucioacuten Se pueden tomar los meacutetodos que consideran el
equilibrio global de masa deslizante hoy en desuso y los meacutetodos de las dovelas
o rebanadas que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas
verticales
39
Los meacutetodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en
Meacutetodos aproximados que no cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica
Se pueden nombrar los meacutetodos de Fellenius Janbu y Bishop simplificado
Meacutetodos completos que cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica Los
conocidos son los meacutetodos de Morgenstern-Price Spencer y Bishop
riguroso
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo
Fuente Propia
A traveacutes de los meacutetodos de caacutelculo se desarrollan los meacutetodos de anaacutelisis para
estabilidad de taludes estos son de gran importancia para el desarrollo a nivel
numeacuterico con el fin de identificar que sucede en un talud al cambiar y modificar
ciertos paraacutemetros geomecaacutenicos mostrados dichos meacutetodos en la tabla 7
Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
40
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
Meacutetodo de
tablas o
nuacutemero de
estabilidad
Para los taludes simples homogeacuteneos se han desarrollado tablas que
permiten un caacutelculo raacutepido del factor de seguridad Existe una gran cantidad
de tablas desarrolladas por diferentes autores La primera de eacutestas fue
desarrollada por Taylor en 1966 Desde entonces han sido presentadas
varias tablas sucesivamente por Bishop y Morgenstern (1960) Hunter y
Schuster (1968) Janbuacute (1968) Morgenstern (1963) Spencer (1967)
Terzaghi y Peck (1967) y otros
Meacutetodo del
talud infinito
El meacutetodo del talud infinito es un sistema muy raacutepido y sencillo para
determinar el factor de seguridad de un talud suponiendo un talud largo
con una capa delgada de suelo en el cual cualquier tamantildeo de columna de
suelo es representativo de todo el talud Las suposiciones del meacutetodo del
talud infinito son las siguientes suelo isotroacutepico y homogeacuteneo talud
infinitamente largo y superficie de falla paralela al talud El principal uso del
meacutetodo del talud infinito es la elaboracioacuten de planos de amenaza a los
deslizamientos mediante el uso de SIGS
Meacutetodo del
bloque
deslizante
El anaacutelisis de bloque puede utilizarse cuando existe a una determinada
profundidad una superficie de debilidad relativamente recta y delgada La
masa que se mueve puede dividirse en dos o maacutes bloques y el equilibrio de
cada bloque se considera independientemente utilizando las fuerzas entre
bloques No considera la deformacioacuten de los bloques y es uacutetil cuando existe
un manto deacutebil o cuando aparece un manto muy duro sobre el cual se
puede presentar el deslizamiento
Meacutetodo
Ordinario o
de Fellenius
Conocido tambieacuten como meacutetodo Sueco meacutetodo de las Dovelas o meacutetodo
USBR Este meacutetodo asume superficies de falla circulares divide el aacuterea
de falla en tajadas verticales obtiene las fuerzas actuantes y resultantes
para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de
Seguridad
41
Meacutetodo de
Bishop
Bishop (1955) presentoacute un meacutetodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta
el efecto de las fuerzas entre las Dovelas El meacutetodo simplificado de Bishop
es uno de los meacutetodos maacutes utilizados actualmente para el caacutelculo de
factores de seguridad de los taludes Aunque el meacutetodo soacutelo satisface el
equilibrio de momentos se considera que los resultados son muy precisos
en comparacioacuten con el meacutetodo ordinario
Meacutetodo de
Janbuacute
El meacutetodo simplificado de Janbuacute se basa en la suposicioacuten de que las
fuerzas entre dovelas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de
cortante Janbuacute considera que las superficies de falla no necesariamente
son circulares y establece un factor de correccioacuten fo El factor fo depende
de la curvatura de la superficie de falla Estos factores de correccioacuten son
solamente aproximados y se basan en anaacutelisis de 30 a 40 casos
Meacutetodo de
Spencer
El meacutetodo de Spencer es un meacutetodo que satisface totalmente el equilibrio
tanto de momentos como de esfuerzos El procedimiento de Spencer
(1967) se basa en la suposicioacuten de que las fuerzas entre dovelas son
paralelas las unas con las otras o sea que tienen el mismo aacutengulo de
inclinacioacuten
Meacutetodo de
Morgenstern
y Price
El meacutetodo de Morgenstern y Price (1965) asume que existe una funcioacuten que
relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas Esta
funcioacuten puede considerarse constante como en el caso del meacutetodo de
Spencer o puede considerarse otro tipo de funcioacuten La posibilidad de
suponer una determinada funcioacuten para determinar los valores de las fuerzas
entre dovelas lo hace un meacutetodo maacutes riguroso que el de Spencer22
Adaptado de Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil
Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
22
Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-
Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
42
52 MARCO LEGAL
Para garantizar la viabilidad normativa del presente trabajo este se encuentra
acorde a los requisitos legales y normativos de la actualidad descritos en la tabla
8 Normatividad
Tabla 8 Normatividad
NORMA OBJETIVO
CE020 Estabilizacioacuten de
Suelos y de Taludes
Establecer las consideraciones teacutecnicas miacutenimas para el mejoramiento requerido de la resistencia de suelos y de la estabilidad de taludes
NSR 2010 Titulo H
Establecer criterios baacutesicos para realizar estudios geoteacutecnicos de edificaciones basados en la investigacioacuten del subsuelo y las caracteriacutesticas arquitectoacutenicas y estructurales de las edificaciones con el fin de proveer las recomendaciones geoteacutecnicas de disentildeo y construccioacuten de excavaciones y rellenos estructuras de contencioacuten cimentaciones rehabilitacioacuten o reforzamiento de edificaciones existentes y la definicioacuten de espectros de disentildeo sismo resistente para soportar los efectos por sismos y por otras amenazas geoteacutecnicas desfavorables
NSR 2010 Titulo A2
Establecer los valores de coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva para el disentildeo la cual se encuentra impliacutecita en la tabla A22 del cual se toma el valor 030 en una escala de 005 hasta 050 desde amenaza siacutesmica baja hasta amenaza siacutesmica alta lo que indica que para efecto de anaacutelisis y disentildeo de taludes se debe emplear la aceleracioacuten maacutexima del terreno en donde el coeficiente siacutesmico de disentildeo para anaacutelisis seudo estaacutetico de taludes KST tiene el valor inferior tomando asiacute el valor de 080 de suelos enrocados y macizos fracturados lo que implica ejecutar una operacioacuten matemaacutetica simple con el fin de obtener el valor de Aa adecuado para el disentildeo dinaacutemico del talud el cual es 025
Fuente Propia
43
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO
En este capiacutetulo se evidencia el enfoque que se expuso en el presente trabajo
dejando claras las caracteriacutesticas principales para el desarrollo de modelos que
presentan el factor de seguridad oacuteptimo en suelos expansivos
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN
El enfoque que se empleo es de caraacutecter cuantitativo y cualitativo ya que se tomoacute
como base de trabajo los estudios realizados en diferentes zonas compuestas por
suelos expansivos
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN
Cuenta con una investigacioacuten tipo analiacutetica ya que se desarrolloacute una matriz de
comparacioacuten entre paraacutemetros mecaacutenicos y geoteacutecnicos comunes en los suelos
expansivos en donde se buscoacute valores miacutenimos de factores de seguridad en
relacioacuten a paraacutemetros de resistencia condiciones geomeacutetricas y factores
naturales
63 DISENtildeO MUESTRAL
Para el trabajo se tiene en cuenta un talud con caracteriacutesticas geoteacutecnicas y
geomeacutetricas establecidas en donde ejecutoacute una comparacioacuten del comportamiento
del talud con respecto a valores de factor de seguridad para lo cual se realiza un
anaacutelisis de la poblacioacuten universo muestra individuo y variables descritas a
continuacioacuten
Poblacioacuten universo 631
La poblacioacuten universo de la investigacioacuten se basa en el anaacutelisis de taludes ya que
es el elemento maacutes grande del cual se tomoacute la muestra con el fin de ejecutar un
44
anaacutelisis de paraacutemetros geomecaacutenicos sobre el comportamiento de la presencia
de suelos expansivos frente a las variables correspondientes
Muestra 632
Consiste en 264 modelos ejecutados en SLIDEreg de donde se tienen en cuenta
valores de Ru= 00 025 y 05 con alturas de 10 m y 20 m aacutengulos de inclinacioacuten
de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm asiacute mismo se realizan 120 modelos adicionales en donde la
altura es de 10 m variando el valor de Ru=00 01 025 05 y aacutengulos de
inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm en donde se tiene en cuenta los paraacutemetros
geomecaacutenicos y geomeacutetricos para diferentes tipos de suelos expansivos
correspondientes
CH Arcilla de alta plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con alta
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
mayor de 50 tacto suave23
CL Arcilla de baja plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con baja
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
menor de 50 tacto suave24
MH Limo de alta plasticidad suelo de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse ante su esfuerzo mecaacutenico limite liquido menor de 50
tacto aacutespero25
23
El sistema unificado de clasificacioacuten de los suelos [en liacutenea]lt
ftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt [citado en 3 de noviembre del
2015]
24 Ibiacuted Cuadro 21
25 Ibiacuted Cuadro 21
45
Individuo 633
Taludes con presencia de suelos expansivos como arcilla de baja alta plasticidad
y limos de alta plasticidad en general
Variables 634
Caracteriacutesticas del suelo del talud humedad del suelo que conforma el talud
inclinacioacuten de talud aacutengulo de friccioacuten del suelo cohesioacuten nivel freaacutetico factor
de seguridad Tabla 9 Variables
Tabla 9 Variables
Fuente Propia
Se establece que para la medicioacuten de variables en el problema de investigacioacuten
del proyecto que se desarrolloacute el cual estaacute basado en el ANAacuteLISIS DE
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
EXPANSIVOS Los meacutetodos que se desarrollan en la estabilizacioacuten de taludes
son
VARIABLES
CUALITATIVAS Tipo de suelo CH CL y MH
CUANTITATIVAS
Humedad del suelo que conforma el talud ndash Nivel Freaacutetico
Inclinacioacuten de talud
Altura de talud
Angulo de friccioacuten
Cohesioacuten
Factor de seguridad
Sismo
46
Meacutetodo de Bishop simplicado a pesar de solo satisface el equilibrio de
momentos y no cumple con la totalidad de las ecuaciones de la estaacutetica
presenta exactitud frente a los resultados que se obtienen en comparacioacuten
con el meacutetodo ordinario de igual manera utiliza las dovelas teniendo en
cuenta las fuerzas entre las mismas y es uno de los maacutes utilizados para
calcular el factor de seguridad de los taludes la principal restriccioacuten del
meacutetodo es que solo considera las superficies circulares (Jaime
Suarez2002)
De igual manera se ejecuta el respectivo anaacutelisis por medio de Software Slidereg
en el cual se tienen en cuenta para los modelos los paraacutemetros descritos
anteriormente
Slidereg ya que es un programa con anaacutelisis de la filtracioacuten incorporando
elementos finitos y funciones que define directamente el usuario de esta
manera el estudio de sensibilidad permite determinar el efecto de las
variables en el factor de seguridad de un talud
64 FASES DEL PROYECTO
A traveacutes de las fases es posible identificar el orden cronoloacutegico en el que se
desarrolla el presente documento para cumplir el objetivo general que es analizar
el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos por
suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo que se
describen a continuacioacuten
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas
47
Actividad 1 Consultar en diferentes fuentes de informacioacuten definiciones de
los paraacutemetros geomecaacutenicos de suelos expansivos que seraacuten estudiados
Actividad 2 Investigacioacuten del subsuelo y conocimiento determinado de
suelos expansivos referenciando los meacutetodos de exploracioacuten
Actividad 3Identificacioacuten problemas que ocasionan estos materiales con
presencia taludes ante solicitaciones de gravedad infiltracioacuten sismo
escorrentiacutea y otros
Actividad 4 Recopilacioacuten de informacioacuten secundaria referente al
comportamiento de estos materiales
Actividad 5 Documentacioacuten de antecedentes referentes a deslizamientos y
amenazas que presente un talud compuesto por suelos expansivos
identificando coacutemo se estudian los deslizamientos y los problemas
geoteacutecnicos que se presentan en estos materiales
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 642
Actividad 1 Definicioacuten de los paraacutemetros a estudiar para la modelacioacuten en
taludes
Actividad 2 Elaboracioacuten de matriz para la definicioacuten del modelo
geoteacutecnico el desarrollo y respuesta del mismo
48
Actividad 3Realizar la instruccioacuten en programas de modelacioacuten para
estabilidad de taludes
Actividad 4 Modelacioacuten geoteacutecnica mediantes equilibrio liacutemite para las
diferentes condiciones de escenarios descritos en la matriz
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 643
Actividad 1Generacioacuten de graacuteficas de resultados de las modelaciones
para la revisioacuten del factor de seguridad
Actividad 2Anaacutelisis del comportamiento de los paraacutemetros geoteacutecnicos
definidos teniendo como base la modelacioacuten realizada en diferentes
escenarios
Actividad 3 Generacioacuten de graacuteficas finales de respuesta del
comportamiento de los paraacutemetros geomecaacutenicos
Actividad 4 Anaacutelisis de resultados respecto a la generacioacuten de graacuteficas
Actividad 6 Generacioacuten y redaccioacuten del documento final
Actividad 7 Generacioacuten de Articulo
49
7 DESARROLLO METODOLOacuteGICO
Por medio de la descripcioacuten detallada de conceptos se obtiene la identificacioacuten de
suelos expansivos a estudiar que como se menciona en el documento son
materiales compuestos por arcillas de alta y baja plasticidad y limos de alta
plasticidad en donde se identifica las caracteriacutesticas mecaacutenicas geoteacutecnicas
fiacutesicas que son claves al momento del anaacutelisis de cada uno de los modelos a
ejecutar en el software Slidereg con el fin de conocer el comportamiento de los
suelos en mencioacuten cuando se tienen variables de sismo nivel freaacutetico y
geometriacutea correspondiente a diferentes aacutengulos de inclinacioacuten 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
y una altura de 10 m 20 m y variaciones con respecto al paraacutemetro Ru de 00
01 025 04 05 en condiciones estaacutetica y dinaacutemica
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS
Se realiza una descripcioacuten detallada acerca de los suelos expansivos que
conforman un talud de los cuales se analiza el factor de seguridad como lo son
arcillas de baja y alta plasticidad y limos de alta plasticidad donde se identifican
las caracteriacutesticas que componen cada uno de estos suelos y la diferencia de los
mismos para su respectiva identificacioacuten descritos en la tabla 10 Descripcioacuten de
suelos expansivos
50
CH CL ML
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGAacuteNICO DE BAJA PLASTICIDAD
Arcillas inorgaacutenicas de alta plasticidad arcillas
grasas
Arcillas inorgaacutenicas de plasticidad baja a mediana
arcillas gravosas arcillas arenosas arcillas limosas
arcillas magras
Limos inorgaacutenicos y arenas muy finas harina de
roca arenas finas limosas o arcillosas o limos
arcillosos de ligera plasticidad
Suelo de grano fino
Diaacutemetro de las partiacuteculas comprendido entre
005 mm y 0005 mm
Color variacutea desde gris claro a muy oscuro
No suelen tener propiedades colidales
A partir de 0002 mm y a medida que
aumenta el tamantildeo de las partiacuteculas se
va haciendo cada vez mayor la
proporcioacuten de minerales no arcillosos
Partiacuteculas forma redondeada
Tacto aacutespero
Mayor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de masa
Se secan con relativa rapidez y no se
pegan a los dedos
Los terrones secos tienen una cohesioacuten
apreciable pero se pueden reducir a
Pueden ser colapsables
Fuerte olor a tierra Ligero olor a tierra Olor no caracteriacutestico a menudo ninguno
Consistencia alta Menor consistencia que las CH Consistencia baja
Estructura blanda Estructura menos blanda que las CH Estructura blanda
Alta capacidad de deformarse sin agrietarse ante
un esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten
al retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse ante un
esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten al
retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse
ante un esfuerzo mecaacutenico conservando la
deformacioacuten al retirarse la carga
Plaacutesticos Plaacutesticos Ligeramente plaacutesticos
Liacutemite liquido mayor de 50 arcillas de alta
contraccioacuten-dilatacioacuten Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos
Los terrones secos se pueden partir
pero no reducir a polvo con los dedos
No son colapsables
Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosos
Partiacuteculas forma laminar
Tacto suave
Menor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de
superficie
GRAacuteFICO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS DE GRANO FINO
SUELOS EXPANSIVOS
Son suelos que al ser humedecidos sufren una expansioacuten que pone en peligro a las estructuras cimentadas sobre ellos
Su comportamieno se caracteriza principalmente por
- La contraccioacuten debido al secado
- La expansioacuten al humedeserce
- Desarrollo de presiones de expansioacuten cuando estaacute confinado y no puede expandirse
Suelen tener propiedades colidales
Suelo de grano fino suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio
hidratados procedentes de la descomposicioacuten de rocas que contienen feldespato como el granito
Diaacutemetro menor de 0005 mm
Presenta diversas coloraciones seguacuten las impurezas que contiene desde el rojo anaranjado hasta el
blanco cuando es pura
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos
Fuente Adaptado de
[En liacutenea] ltftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt[citado en 15 de
octubre del 2015]
[En liacutenea] lt httpesslidesharenetfrkfirtinsuelos-expansivosgt[citado en 15 de octubre del 2015]
[En liacutenea] lthttpwwwfceiaunreduargeologiaygeotecniaDiferenciasgt[citado en 15 de octubre del 2015
51
UNIDAD SUELO-1 SUELO-2 SUELO-3
71 63 43
32 37 24
39 26 19
31 26 23
KNm3 132 139 146
KNm3 141 146 151
24 22 20
CH MH CL
CONTENIDO INICIAL DEL AGUA
CLASIFICACIOacuteN DEL SUELO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
LIMITE DE CONSISTENCIA
COMPACTACIOacuteN
OPTIMO CONTENIDO DE AGUA
DENSIDAD LIBRE MAacuteXIMA
PROPIEDADES FISICAS INALTERADAS DE LA MUESTRA DE SUELO
DENSIDAD LIBRE INICIAL
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLAacuteSTICO
INDICE PLAacuteSTICO
PROPIEDADES
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH
Es necesario conocer las propiedades fiacutesicas de los suelos descrita en la tabla
11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos ya que de estas depende el
comportamiento mecaacutenico que lo mismos presentan ante factores intriacutensecos y
extriacutensecos como los son lluvia y sismo siendo estos importantes al momento de
observar el proceso de remocioacuten en masa de un talud cuando se afecta por estos
factores
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A traveacutes del estudio realizado en el libro expansive Soils se obtienen este tipo de
propiedades fiacutesicas de los materiales que en el presente proyecto se desarrollan
descritos en la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos en el
estudio ejecutado se describe sobre los avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento en suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
52
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar los inconvenientes que la presencia de estos
puedan generar en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada
por la expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten o
dilatacioacuten que presentan debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel
freaacutetico
Por lo tanto el limite liacutequido que presentan los tipos de suelos analizados es para
un CH de 71 MH de 63 y CL de 43 lo que indica que este es el porcentaje
en el que cada uno de estos suelos pasa de un estado liacutequido a uno plaacutestico Es
asiacute como se observa que existe maacutes probabilidad de que ocurra este fenoacutemeno
con la arcilla de alta plasticidad
Con respecto al liacutemite plaacutestico se observan valores obtenidos para un CH 32
MH 37 y 24 que es cuando el suelo pasa de un estado semisoacutelido a uno
plaacutestico siendo mayor para el limo de alta plasticidad
De tal manera que se observa el Iacutendice de plasticidad bajo como por ejemplo del
19 para una arcilla de baja plasticidad la cual significa que un pequentildeo
incremento en el con tenido de humedad del suelo lo transforma de semisoacutelido a
la condicioacuten de liacutequido es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad
Por el contrario un iacutendice de plasticidad alto como por ejemplo del 39
perteneciente a la arcilla de alta plasticidad indica que para que el suelo pase del
estado semisoacutelido al liacutequido se le debe agregar gran cantidad de agua26
Tambieacuten se obtiene el contenido oacuteptimo de agua el cual permite la obtencioacuten de la
26
Liacutemites de Atterberg Iacutendice de Plasticidad Fluidez Retraccioacuten [en liacutenea]lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
53
densidad maacutexima mediante la compactacioacuten que seguacuten tabla 11 Es 31 para un
CH 26 para el MH y 23 para el CL Siendo este valor inversamente
proporcional a la densidad libre maacutexima debido a que entre mayor es el oacuteptimo
contenido de agua menor es la densidad maacutexima
De esta manera se obtienen las propiedades fiacutesicas de los suelos estudiados
haciendo la respectiva clasificacioacuten de los materiales correspondientes a suelos
expansivos
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS
Con el fin de lograr la identificacioacuten de cada uno de los materiales se seleccionan
los paraacutemetros geomecaacutenicos siendo los mismos importantes pues de estos
depende el comportamiento y el valor de factor de seguridad del talud cuando se
relacionan con paraacutemetros geomeacutetricos y de Ru ante factores estaacuteticos y
dinaacutemicos que se describen en los siguientes numerales a partir del 731
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 731
La seleccioacuten de paraacutemetros a raiacutez de la investigacioacuten realizada se consolidoacute
teniendo en cuenta los siguientes datos bibliograacuteficos
En el libro Expansive Soil se observa la descripcioacuten de un estudio donde se
evaluacutea la presioacuten de hinchamiento del suelo el potencial de hinchamiento y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada de muestras alteradas e inalteradas de
suelos expansivos De donde se describen tres tipos de suelos seleccionados de
la parte norte de Jordania con una amplia gama de contenido de arcilla
caracterizando las propiedades fiacutesicas de estos suelos como la gradacioacuten el
liacutemite plaacutestico y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco
54
maacuteximo y el contenido oacuteptimo de agua de donde se tienen en cuenta las normas
ASTM para consolidar los resultados en la Tabla 11 del presente documento
Razoacuten por la cual se toman valores de peso especiacutefico para MH CH y CL ya que
el estudio que se explicoacute anteriormente estuvo basado en muestras de suelos
inalteradas en zonas altamente arcillosas con caracteriacutesticas similares a las que
se analizan
Otro de los estudios realizados en el libro de Expansive Soils trata de una serie
completa de pruebas de la compresioacuten inconfinada (UC) no consolidado no
drenado (UU) triaxiales y columna resonante (RC) en donde se realizan sobre
muestras estabilizadas quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del
sureste de Arlington Texas despueacutes de haber sido sometido a ciclos repetitivos
de humectacioacuten-secado (WD) inducido artificialmente en el laboratorio Se
utilizan los resultados para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo
plazo la rigidez y unidimensional (1-D) hinchazoacuten y contraccioacuten como respuesta
del suelo tratado incluyendo la resistencia a la compresioacuten inconfinada
paraacutemetros de resistencia al corte sin drenaje moacutedulo de corte dinaacutemico y
material de amortiguacioacuten
Los Meacutetodos de estabilizacioacuten incluyen sulfato resistente cemento Tipo V bajo en
calcio clase F de ceniza volaacutetil cal viva y se mezcla con fibras de polipropileno
Dichas muestras de suelo tratadas se curaron durante 7 diacuteas y despueacutes se
sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la prueba UC UU y RCl Un
ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua potable en la sala
de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a 140 degF En cambio
las caacutemaras wd permiten el monitoreo de 1-D expansioacuten-contraccioacuten que brinda
respuesta durante wd repetido Una dosis por peso 10 de cemento Tipo V
parece dar mejor rendimiento general bajo wd ciacuteclico
55
Es de esta manera como se busca resumir los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados descritos en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
natural antes de ser tratado En la misma tabla indicada pero en la fuente
bibliograacutefica se presentan los demaacutes resultados como resumen de los paraacutemetros
de resistencia al cortante (c-ɸ) obtenidos de ensayos triaxiales UU que en este
caso se omitieron debido a que nuestro estudio estaacute basado en suelos expansivos
sin tratar
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no
drenado Suelo natural antes de ser tratado
Nuacutemero de
ciclos w-d C (psi) C (KPa)
de
cambio
ɸ
(deg)
de
cambio
Suelo
Natural
0 68 469 00 06 00
1 65 449 - 44 06 00
2 67 462 - 15 06 00
4 63 435 - 74 06 00
8 69 476 + 15 06 00
16 69 473 + 07 06 00
32 69 476 + 15 06 00
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 129 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681
Los valores que se encuentran resaltados en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
56
natural antes de ser tratado fueron utilizados en el trabajo para los paraacutemetros del
material arcilla de alta plasticidad (CH)
A continuacioacuten se presentan las figuras correspondientes a los efectos del
contenido inicial de agua en la presioacuten por hinchamiento para obtener los valores
de cohesioacuten en cada uno de los tipos de suelos estudiados para ello se tiene en
cuenta las propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos resumidos en la tabla
11 donde se especifica el contenido inicial () del agua asiacute CH 24 MH 22 y CL
20 valores con los que se ingresa en el eje vertical para las figuras
correspondientes al suelo compuesto por limo de alta plasticidad y arcilla de baja
plasticidad analizado en condiciones estaacuteticas (la condicioacuten dinaacutemica se tendraacute
en cuenta en el proceso de modelacioacuten)
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH
Tomado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 134 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
57
A partir de la figura 3 se obtiene un valor de
y a su
vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla
inorgaacutenica de alta plasticidad
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para CL
Tomado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 135 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A partir de la figura 4 se obtiene un valor de
y a su vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla inorgaacutenica de alta
plasticidad
En la investigacioacuten se encuentran diferentes paraacutemetros para distintos tipos de
suelos de los cuales se analiza y compara con la fuente del libro de Expansive
58
Soils seleccionando los apropiados para ejecutar la modelacioacuten en el software
Slidereg en la Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos en el cual se
evidencian valores comparados con la fuente confiable del libro
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Consistencia
Angulo de friccioacuten
interna
ɸ en grados
Peso
especiacutefico
Kgcm2
Arena gruesa
o arena con
grava
Compacta 40 2250
Suelta 35 1450
Arena media Compacta 40 2080
Suelta 30 1450
Arena limosa
fina o limo
arenoso
Compacta 30 2080
Suelta 25 1365
Limo uniforme Compacta 30 2160
Suelta 25 1365
Arcilla-limo Suave a
mediana 20 1440-1920
Arcilla limosa Suave a
mediana 15 1440-1920
Arcilla Suave a
mediana 01 1440-1920
Fuente Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos [En liacutenea] lt httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-
diferentes-propiedades-de-los-suelosgt [citado en 11 de noviembre del 2015]
59
7311 Paraacutemetros para limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Este tipo de materiales cuentan con suelos de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse antes los esfuerzos mecaacutenicos contando con un liacutemite
liquido menor de 50 Los paraacutemetros para este material se establecen en la tabla
13 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
LIMO INORGAacuteNICO DE ALTA PLASTICIDAD
(MH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 15 146
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se toman de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten correspondiente al efecto del contenido de agua inicial en la
presioacuten de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para MH En
donde se observa la seleccioacuten del paraacutemetro en la graacutefica 3 El efecto del
contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH Ingresando en el eje horizontal con el contenido inicial
del agua descrito en la tabla No 11 Propiedades Fiacutesicas de los suelos
expansivos en la cual se describe un contenido de agua inicial de 22
que para condicioacuten estaacutetica es de 140 Kpa como presioacuten de hinchamiento
60
que permite obtener el valor de la cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten los datos obtenidos de la web ingeniero civil
denominada Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten de la tabla 13
Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos que se encuentra en un blog
peruano creado en agosto de 2010 por John J Rojas se identifica como
un portal que dedica a compartir y difundir temas relacionados con la
ingenieriacutea civil desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico Se describe en el paacuterrafo introductorio del numeral 73 de
seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos y es tomado de la tabla 11
Propiedades fiacutesicas de los suelos
7312 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
La arcilla de alta plasticidad pertenece a suelos inorgaacutenicos de grano muy fino
con baja capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico su
liacutemite liacutequido es mayor a 50 presentando asiacute los paraacutemetros geomecaacutenicos a
continuacioacuten para el respectivo material descrito en la tabla 15 Paraacutemetros
geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
61
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA
PLASTICIDAD
(CH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
469 06 141
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se tomaron de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten se encuentran resumidos los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados el anaacutelisis es efectivo por que el suelo se
presenta en estado natural En la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al
corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural
antes de ser tratado
Aacutengulo de friccioacuten tomado para el suelo natural sin ninguacuten tipo de
estabilizacioacuten ni alteracioacuten en el contenido del mismo basada en las
condiciones iniciales de suelos expansivos despueacutes de haber sido sometida
dicha muestra a ciclos repetitivos de humectacioacuten-secado (WD) inducido
artificialmente en el laboratorio para identificar el comportamiento del mismo
en cuanto a la resistencia al cortante donde el aacutengulo de friccioacuten interna
determina su comportamiento junto con la cohesioacuten resumidas dichas
62
Condiciones en la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para
ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural antes de ser
tratado
Peso especiacutefico este valor se encuentra descrito en el paacuterrafo introductorio
de seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos Tabla 11 Paraacutemetros fiacutesicos de
los suelos expansivos
7313 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
La arcilla de baja plasticidad hace parte de los suelos inorgaacutenicos de grano muy
fino con baja capacidad de deformacioacuten sin sufrir de grietas ente un esfuerzo
mecaacutenico el liacutemite liquido es menor a 50 de esta manera en la tabla 16
Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) se
describen los paraacutemetros a considerar para la modelacioacuten ejecutada
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA
PLASTICIDAD
(CL)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 01 151
Fuente propia
63
Los paraacutemetros relacionados se toman de distintas fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten corresponde al efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten
de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para CL Ingresando en
el eje horizontal con el contenido inicial del agua descrito en la tabla 11
Propiedades Fiacutesicas de los suelos expansivos se describe un contenido de
agua inicial de 20 que para condicioacuten estaacutetica muestra un valor de 140
Kpa como presioacuten de hinchamiento que permite obtener el valor de la
cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten Se obtiene de la web del ingeniero civil denominada
Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten un blog peruano creado en
agosto de 2010 por John J Rojas descrito en la tabla 13 Paraacutemetros de
diferentes tipos de suelos en donde se tiene en cuenta el portal que se
dedica a compartir y difundir temas relacionados con la ingenieriacutea civil
desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico descrito en el paacuterrafo introductorio de seleccioacuten de
paraacutemetros geomecaacutenicos de la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos
expansivos
64
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 732
Para la seleccioacuten del valor cuando hay presencia de sismo en la modelacioacuten del
talud se tiene en cuenta la norma NSR-10 TITULO A de donde se selecciona el
valor del coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva el cual
se determina en su maacuteximo valor de amenaza siacutesmica igual a 030 descrito en la
Tabla A23-1 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y de Av descrito en la
figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y Av
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo A Capitulo A2 Zona de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de
disentildeo
El valor que se selecciona en el paacuterrafo anterior para una amenaza siacutesmica alta
se multiplica por el coeficiente Kst que se utiliza para el anaacutelisis y disentildeo de
taludes en donde se debe incluir la aceleracioacuten maacutexima del terreno teniendo en
cuenta el tipo de material terreo que se manejaraacute en el presente proyecto Tomado
de la tabla H52-1 de la norma sismo resistente Observado en la figura 6
Valores de Kst A max
65
Figura 6Valores de Kst A max
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5Excavaciones y estabilidad de taludes
Seleccionando el valor que pertenece a suelos enrocados y macizos muy
rocosos con un Kst de 080 ya que no se ejecutoacute ninguacuten anaacutelisis de amplificacioacuten
en los suelos expansivos de estudio
El valor se aproxima de 024 a 025 como coeficiente de aceleracioacuten de amenaza
siacutesmica en el disentildeo de los taludes en el software Slide reg
De tal manera que para el anaacutelisis de factor de seguridad de los taludes se tiene
en cuenta el capiacutetulo H en donde se especifican los valores maacuteximos para que el
talud se encuentre en amenaza por un fenoacutemeno de remocioacuten en masa El cual se
puede observar el la figura 7Factores de seguridad indirectos miacutenimos
66
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5 Excavaciones y estabilidad de taludes
7321 Paraacutemetro de presioacuten de poros Ru
Teniendo en cuenta que el Ru es una relacioacuten de poros y esfuerzo vertical se
seleccionan valores de 00 01 025 04 y 05 en donde a medida que aumenta
dicho valor indica el nivel de agua contenido en el suelo del talud para el valor
00 el suelo se encuentra de estado natural-huacutemedo en 025 es un nivel de agua
medio en el talud y 05 talud saturado
67
Paraacutemetros geomeacutetricos 733
En la etapa de recoleccioacuten de datos se investigaron tesis relacionadas con el tema
de donde se tuvo en cuenta el documento desarrollado sobre Influencia Del
Abatimiento Del Nivel Freaacutetico En El Caacutelculo del Factor De Seguridad Para La
Estabilidad De Taludes realizado por el Ingeniero Leonardo Leuro Antildeo
2015Universidad La Gran Colombia
Para lo cual se seleccionan diferentes alturas en la geometriacutea del talud y aacutengulos
de inclinacioacuten estudiados en el proyecto descrito anteriormente los cuales fueron
Aacutengulos 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Alturas de talud de 10 m y 20 m
74 DESARROLLO DEL MODELO
A traveacutes de los paraacutemetros geomecanicos y geomeacutetricos anteriormente descritos
se disentildean taludes con diferentes condiciones con el fin de lograr un anaacutelisis
completo de lo que se presenta en campo descrito en la tabla 17 Matriz de
disentildeo
68
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
Fuente propia
De la cual se generan los modelos teniendo en cuenta los diferentes aacutengulos y
alturas en estado dinaacutemico y estaacutetico para diferentes valores de Ru de donde se
obtienen valores de factor de seguridad para el material de Arcilla de alta
plasticidad limo de alta plasticidad y arcilla de baja plasticidad en el cual se
evidencian los paraacutemetros geomecaacutenicos descritos a partir del numeral 73
Paraacutemetros geomecaacutenicos del presente documento
000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447 2416 2184 1937 1471 1307 1139 1468 1466 1465 0909 0907 0906
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670 1575 1365 1146 0993 0851 0705 0733 0731 0729 0492 0490 0489
10 1991 1983 1975 1404 1398 1392 2007 1817 1624 1380 1246 1111 1377 1376 1374 0882 0881 0880
20 1008 1000 0991 0677 0670 0664 1246 1073 0902 0887 0756 0626 0689 0687 0686 0466 0464 0463
10 1810 1804 1798 1345 1340 1336 1654 1479 1319 1248 1131 1015 1251 1250 1248 0868 0867 0866
20 0958 0951 0945 0649 0644 0638 1011 0858 0705 0763 0646 0527 0623 0622 0621 0460 0459 0458
10 1548 1542 1536 1242 1238 1233 1306 1141 0981 1107 0988 0858 1069 1068 1067 0831 0830 0830
20 0779 0773 0767 0587 0582 0578 0797 0640 0485 0648 0534 0406 0536 0535 0534 0403 0402 0402
30
45
60
75
RuALTURAANGULO
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
Ru Ru
0
Ru
025
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
C (KNM2) φ γ(KNM2)
35 15 146
Ru Ru
C (KNM2) φ γ(KNM2)
CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
35 01 151
69
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 741
Se realiza el disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en
condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 0 en
donde se indica una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Que se
observa en la figura 8Modelo en Slidereg para un CH de donde se obtiene el valor
de factor de seguridad que se muestra en la figura 9 Factor de seguridad CH
estaacutetico
Figura 8 Modelo en slide para un CH
Fuente Propia
70
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico
Fuente Propia
De esta manera se realiza este procedimiento para los materiales de MH Limo de
alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
Se lleva acabo el disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de aacutengulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico brindando asiacute un
factor de seguridad que se muestra en la figura 11 Factor de seguridad para MH
estaacutetico
71
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad para dicho modelo descrito en la
figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Fuente propia
72
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12Modelo de Slidereg para un CL estaacutetico
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad del talud que se observa en la figura
13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Fuente propia
73
En el proceso de modelacioacuten se incluye la condicioacuten de sismicidad en donde en el
Software SLIDEreg se agrega en LOADING seismic load y se coloca el valor de
025 como coeficiente de amenaza siacutesmica Aa
De esta manera se tiene en cuenta la condicioacuten dinaacutemica la cual se realiza en el
disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 para una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Observado en la figura
14Modelo en Slide para un CH dinaacutemico
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico
Fuente Propia
74
Del anterior disentildeo se logra obtener el factor de seguridad que se observa en la
figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Fuente Propia
Es asiacute como se lleva a cabo este procedimiento para los materiales de MH Limo
de alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
El disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 con una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se observa en la figura
16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
75
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad observado en la figura 17 Factor de
seguridad para MH dinaacutemico
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico
Fuente propia
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 0 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 025 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12 Modelo de Slide para un CL estaacutetico el cual se observa
76
en la Figura 18 Modelo de Slide para un CL dinaacutemico
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad del talud en condicioacuten de sismo visto
en la figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Fuente propia
77
De esta manera se modifican en el modelo los valores de Ru=0 025 y 05 y las
alturas de 10m y 20m con aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
relacionaacutendolos entre siacute obteniendo el factor de seguridad para condiciones
estaacuteticas en 144 modelos en condiciones estaacuteticas y dinaacutemicas En la segunda
modelacioacuten se realiza el mismo procedimiento con 120 modelos incluyendo
valores de Ru= 01 y 04 con una altura especifica de 10 metros para diferentes
aacutengulos
De donde se obtiene como resultado la matriz de factores de seguridad que se
muestra en la tabla 17 Valores de factor de seguridad
Tabla 17Valores de factor de seguridad
Fuente propia
De estos resultados se efectuacutea el anaacutelisis de graacuteficas que se observa en el
numeral 8anaacutelisis de resultados comparando el factor de seguridad vs el aacutengulo
para diferentes alturas del talud con presencia de CH MH y CL en
condiciones dinaacutemicas y estaacuteticas como se muestra en la figura 20 Comparacioacuten
de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para Ru=00
CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670
0
Ru
025
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
30
RuALTURAANGULO
78
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten
estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
Fuente propia
De esta manera para los 120 modelos donde los Ru= 00 01 025 04 y 05 con
una altura de 10 metros y aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75 ordm se
elaboran las graacuteficas en Excel con el fin de hacer una comparacioacuten de cada uno
de los aacutengulos con respecto al valor de factor de seguridad vs ru en estado
dinaacutemico y estaacutetico que se muestra en la Figura 21 Graacutefica Factor de seguridad
Vs Ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y altura de 10 m en CH
MH y CL de esta manera se estudian los comportamientos respectivamente en el
iacutetem 8anaacutelisis de resultados
79
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente propia
Con el fin de obtener la cohesioacuten a la que un talud compuesto por suelos
expansivos con aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm a una altura de 10 metros cumple
con los factores de seguridad expuestos en el numeral 732 Seleccioacuten de valores
de sismo y ru en estado estaacutetico y dinaacutemico se ejecuta una sensibilizacioacuten del
paraacutemetro cohesioacuten para los diferentes modelos modificando asiacute el valor de ru
en 00 01 025 04 y 05 siendo 00 la condicioacuten seca o en estado natural del
suelo 025 condicioacuten intermedia de nivel de agua en el talud y 05 condicioacuten de
saturacioacuten mientras que 01 y 04 son valores intermedios
Se realiza el siguiente procedimiento con cada uno de los modelos en donde se
encuentra una modificacioacuten de la geometriacutea (aacutengulo) el valor ru y su condicioacuten
estaacutetica o dinaacutemica
80
1 Se toma como ejemplo el modelo de talud para10 metros con un aacutengulo
de 30ordm con material de arcilla de alta plasticidad se verifica que se
encuentre la seleccioacuten en anaacutelisis Project settings statistics y se
selecciona sensitivity analysis Como se muestra en la figura 22
Sensitividad de paraacutemetros
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros
Fuente propia
2 Se seleccionan las variables y se escriben los valores de cohesioacuten que en
este caso son de 469 knm2 para CH 35 knm2 para CL y 35 knm2 para
MH en cada uno de los modelos correspondientes a cada material y con
su respectiva geometriacutea determinando los rangos de las variables que en
este caso se manejan 20 por encima y por debajo para el CH y 30 por
encima y por debajo para el CL y MH como se muestra en la figura 23
Rangos de variables
81
Figura 23 Rangos de variables
Fuente propia
3 Se corre el modelo con el fin de obtener la falla que presenta el talud y
cuando se obtiene se da clic en statistics sensitivity analysis plot se
selecciona cohesioacuten y el meacutetodo que para este caso es bishop y se da clic
en plot de donde se obtiene la graacutefica factor de seguridad vs cohesioacuten Que
se muestra en la figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud
compuesto por CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
82
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con altura de
10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
Fuente propia
4 La figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por
CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm se exporta a Excel y
se realiza el mismo procedimiento para los aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
para cada uno de los materiales CH MH y CL de donde se modifica la
condicioacuten de ru y de estaacutetico a dinaacutemico de donde se obtienen las graacuteficas
correspondientes a cada uno de los aacutengulos por cada material Como se
muestra en la figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH CL y
MH con altura de 10 m con ru=00 01025 04 y 05 en condicioacuten
estaacutetica y seudo-estaacutetica
83
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con ru=00 en
condicioacuten estaacutetica
Fuente propia
5 Al obtener las graacuteficas para CH MH y CL con condiciones de ru=00 01
025 04 y 05 se traza un liacutenea horizontal en el valor de 15 para condicioacuten
estaacutetica y en 105 para condicioacuten dinaacutemica que se describen en la tabla
7Factores de seguridad indirectos miacutenimos tomados de la NSR-10 y una
liacutenea vertical que intersecta con la liacutenea horizontal con las pendientes
correspondientes a cada uno de los valores de factor de seguridad vs
cohesioacuten que se realiza para cada aacutengulo encontrando asiacute el valor de
cohesioacuten de tal manera que los mismos indican que para las condiciones
geomeacutetricas descritas los valores de cohesioacuten que se muestran en el
anexo 4 Valores de cohesioacuten para suelos expansivos cuando se tiene un
84
valor menor al mostrado en la tabla los valores de factor de seguridad no
cumplen y es necesario realizar una modificacioacuten en el talud con el fin de
obtener estabilidad en la estructura El procedimiento para la obtencioacuten del
valor de cohesioacuten se realiza como se muestra en la figura 26 Valor de
cohesioacuten para un CH con ru=00 en condicioacuten estaacutetica para aacutengulos de
30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y 05 en
condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
85
86
87
88
89
Fuente propia
6 A traveacutes de este proceso se obtienen los resultados que se muestran en el
anexo 4Valores de cohesioacuten para suelos expansivos
90
8 ANALISIS DE RESULTADOS
A continuacioacuten se presentan los resultados y anaacutelisis de comportamiento de los
taludes compuestos por suelos expansivos Dichos resultados se asocian al valor
de factor de seguridad de los modelos disentildeados en el software Slidereg de
acuerdo a paraacutemetros geomecaacutenicos descritos en el titulo 73 Seleccioacuten de
paraacutemetros encontrados en el libro Expansive Soils de Amer Ali Al-Rawas amp
Mattheus FA Goosen de tal manera que los resultados se asocian a diferentes
condiciones como los son dinaacutemicos y estaacuteticos y cambios en el valor de ru con
respecto a alturas de 10 metros y 20 metros
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=0 en
CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 27 se analiza un comportamiento la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten en un 28 para estado
estaacutetico dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
91
expansivos siendo evidente que la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) tanto
para la altura de 10m como para la de 20m presenta un porcentaje de reduccioacuten
136 y 212 en comparacioacuten a los demaacutes tipos de suelos expansivos debido
a que tiene menor consistencia
Por lo tanto el limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor
aacutengulo de inclinacioacuten muestra un factor de reduccioacuten de 59 sin embargo su
factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada
a medida que aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas es menor
al aumentar la inclinacioacuten del talud FS disminuyendo de manera leve
En la graacutefica se evidencia que cerca de los 60deg de inclinacioacuten del talud para una
altura de 20 m MH y CH se comportan de manera similar con un factor de
seguridad de 101 y 096 equivalente al 55 respectivamente lo que indica
inestabilidad seguacuten la norma NSR-10 Tiacutetulo H Tabla H69-1 donde se especifica
que la estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetico debe ser
de 150 Mientras que en un talud de 10 m cerca de los 45deg de inclinacioacuten tanto el
MH como el CH presentan un comportamiento similar con un factor de seguridad
de 2 cumpliendo el factor miacutenimo que rige la Norma NSR-10
Al observar en la graacutefica la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) en un talud
de 20 m a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten presenta inestabilidad auacuten en condicioacuten
estaacutetica y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru
Finalmente en condiciones estaacuteticas y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru el material
oacuteptimo es CH solo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier
inclinacioacuten muestra estabilidad con un factor de reduccioacuten del 28 Cumpliendo
con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
92
Es asiacute como es preciso aclarar que en cualquier caso el FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 28 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y el paraacutemetro ru dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un talud de altura de 20m
cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 correspondiente a
150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo representa con
paraacutemetro ru el cual afecta de manera directa al talud
Uno de los factores de gran importancia es la geometriacutea que representa el talud
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
93
debido a que para un talud de 10 m hasta 20 metros el factor de reduccioacuten oscila
entre el 40 al 60
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo su factor de seguridad
disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada a medida que
aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas (C) es menor al
aumentar la inclinacioacuten del talud el FS disminuye de manera leve Este
comportamiento continua siendo caracteriacutestico de este material pues al ser
comparado con la Figura 27 el material es inadecuado no solo al aumentar la
inclinacioacuten sino tambieacuten a la presencia de agua en el suelo
En la graacutefica se puede evidenciar que cerca de los 50deg de inclinacioacuten para una
altura de 20 m MH y CH se comportan con un valor de 17 de manera diferente
quiere decir que su porcentaje restante su comportamiento es igual Sin llegar a
cumplir con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de 10 m
cerca de los 30deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CH presentan un
comportamiento similar cumpliendo con FS=21
Finalmente en condiciones estaacuteticas y con ru=025 el material oacuteptimo es CH
soacutelo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra
estabilidad modificado con el 28 de probabilidad Cumpliendo con el valor
miacutenimo establecido en la NSR-10
Entonces es preciso aclarar que en cualquier caso FS inversamente proporcional
al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
94
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 29 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y en condicioacuten criacutetica de saturacioacuten con ru=05
dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un
talud de altura de 20m cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-
10 correspondiente a 150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo
afecta de manera directa al talud y al comportamiento mecaacutenico del suelo
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 ESTAgraveTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
95
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material genera
condiciones inadecuadas no solo al aumentar la inclinacioacuten sino tambieacuten a la
presencia de agua en el suelo En donde se evidencia que para un CH con
presencia de ru= 00 hasta ru=05 su factor de reduccioacuten se ve modificado en un
1 mientras que para MH da un valor de 1982 y para un CL de 01
Cabe resaltar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para una altura de 20 m MH y
CH se comportan de manera similar con un FS=100 lo que indica estabilidad
pero no cumple con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de
10 m cerca de los 70deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CL presentan un
comportamiento similar con FS=125 A partir de eacuteste uacuteltimo anaacutelisis es importante
aclarar que el MH ya no se relaciona con el comportamiento del CH sino del CL
Finalmente en condiciones estaacuteticas y condicioacuten criacutetica de ru=05 el material
oacuteptimo sigue siendo CH como en los casos anteriores pero solo en un talud de
10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con factores
de reduccioacuten que no cambian bruscamente si no que oscilan entre el valor de
338 hasta 332 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo lo descrito anteriormente indica que en cualquier caso se analiza que el
FS es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
96
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=000
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 30 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
dinaacutemica con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica de 025 descrito en la
seleccioacuten de valores de sismo (iacutetem 732) del presente proyecto ninguno de los
materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m de
altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo afecta de
manera directa al talud
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
97
El MH es el material que a menor aacutengulo de inclinacioacuten de 51ordm en condiciones
dinaacutemicas muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material presenta
comportamientos mecaacutenicos deacutebiles no solo al aumentar la inclinacioacuten sino
tambieacuten a la presencia de un sismo lo cual se evidencia en el 187 con ru=00
y se evidencia en ru=05 con un porcentaje de 669
De tal manera se evidencia que a los 45deg de inclinacioacuten para el MH en un talud
de altura de 20 m y un CL con un talud de 10 m de altura se comportan de
manera similar comparaacutendolo con una diferencia del 08 de tal manera que a
pesar de sus diferencias dichos factores le generan inestabilidad a el talud Por
lo tanto para un aacutengulo de inclinacioacuten de 30deg y una altura 10 m su inferencia con
respecto al factor de seguridad es del 1 cumpliendo asiacute para los valores
descritos en la matriz de resultados con la NSR-10
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo sigue siendo CH como
en los casos anteriores ya que cumple con el 313 pero solo en taludes de 10
m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre
1242 y 146 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo ello indica que en cualquier caso se analiza que FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura aun en condiciones dinaacutemicas
98
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 31 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales que se analizan en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de
10 m de altura cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo y de agua en el
suelo afecta de manera directa al talud teniendo en cuenta que el factor de
reduccioacuten para un CH es de 505 en condiciones de 75ordm de inclinacioacuten
mientras que para MH es mayor pues es de 628 y para el CL de 504
De esta manera se observa que a los 60deg de inclinacioacuten para el MH y el CL en un
talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un factor de
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
99
reduccioacuten de 256 lo que indica inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta
para todos los materiales en un talud de 20 m de altura y en una altura de 10 m
para los CL
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo continuacutea siendo CH
como en los casos anteriores pero solo en un talud de 10 m de altura puesto que
frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre 1238 y
1454 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10 Sin embargo el
MH tambieacuten se comporta de manera adecuada hasta inclinaciones de 60deg puesto
que bajo estas condiciones presenta FS entre 1131 y 1307
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 32 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
100
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m
de altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 esto se
debe a que la presencia de sismo y de agua en el suelo afecta de manera directa
al talud siendo el factor de reduccioacuten para las arcillas cercano al 1 mientras que
para los limos da superior al 20
Es asiacute como se puede observar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para el MH y
el CL en un talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un
porcentaje igual de 447 lo que con lleva a que el comportamiento mecaacutenico del
suelo no es igual y genera inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta para
todos los materiales en un talud de 20 m de altura y el CL en una altura de 10 m
En condiciones dinaacutemicas el material con las mejores caracteriacutesticas se suelo es
el CH como en todos los casos mencionados anteriormente pero solo en un talud
de 10 m de altura puesto que frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra
estabilidad con FS entre 1233 y 1447 Sin embargo el MH tambieacuten se comporta
de manera adecuada hasta inclinaciones de 45deg puesto que bajo estas
condiciones presenta FS entre 1111 y 1139
Es asiacute como se concluye que FS es inversamente proporcional al aacutengulo de
inclinacioacuten a la altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica al ser comparado
entre los modelos con las diferentes condiciones de sismo
Es evidente la influencia que tiene la presencia de agua en los suelos expansivos
a continuacioacuten se presenta un anaacutelisis del comportamiento de los suelos ante la
variacioacuten del paraacutemetro ru para taludes con una altura de 10m con el fin de
analizar cuaacutel de estos materiales se ve maacutes afectado por dicho paraacutemetro
101
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 33 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad (FS) de manera
insignificante al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y 05 con
factores de reduccioacuten de 392 hasta 328 desde 30ordm de inclinacioacuten hasta 75ordm
respectivamente cumpliendo con el factor de seguridad descrito en la NSR-10
(15 en condicioacuten estaacutetica) A diferencia del limo inorgaacutenico de alta plasticidad
(MH) que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a medida que
aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS entre 2416 y 1937 Por otro lado la
arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH) disminuye FS de 2127 a 2105 a medida
que aumenta el paraacutemetro ru
A partir de lo mencionado es claro que el factor de seguridad es inversamente
proporcional al paraacutemetro ru puesto que a mayor presencia de agua en el suelo
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
000 020 040 060
FS
RU
30ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
102
menor factor de seguridad el cual se hace evidente en el cambio que se presenta
para los diferentes materiales que como ejemplo se cita del CH que para un
aacutengulo de 30ordm 10 metros de altura con ru=0 hasta 05 brinda un factor de
reduccioacuten del 1034
Se evidencia que el CH tiene un comportamiento constante frente al cambio del
factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas cumplen con respecto al valor
brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se establece
a 105 pues los valores del FS oscilan entre 1460 hasta 1447 que comparado
con el material de MH para un aacutengulo de 30ordm la diferencia estaacute en un 1306
mientras que para el CL es de 309
El CL el FS es de 0909 hasta 0906 donde el ru=00 y ru=05 teniendo
posibilidades altas de falla con respecto a los materiales CH y MH siendo
afectado cada uno de los suelos por la condicioacuten dinaacutemica que hace a los
materiales propensos para que ocurra fenoacutemenos por remocioacuten en masa
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 30deg y una altura de 10 m
todos los materiales son oacuteptimos siendo MH el mejor de ellos representado en
porcentajes de 1982 hasta el 3914 Mientras que en dinaacutemico el CL No
cumple en ninguacuten momento con los paraacutemetros establecidos por la norma sismo
resistente mientras que los otros materiales si hasta cierto aacutengulo de inclinacioacuten
como se especifica en el anexo 3 Modelacioacuten adecuada para taludes compuestos
por suelos expansivos
103
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 45deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 34 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad a medida que
aumenta el contenido de agua en el suelo al igual que el CH y MH
De tal manera que para el material CH los valores de ru=00 entre el 1 al 29
esto se debe a que la modificacioacuten que le pueda llegar a generar el agua al suelo
es miacutenima frente al resto de materiales pues en el MH da un valor del 30 Lo
cual indica que existe un paso raacutepido del agua por las partiacuteculas del suelo
generando asiacute que en condicioacuten estaacutetica para una inclinacioacuten de 45deg el CL no
cumpla con respecto al factor de seguridad de la norma NSR-10 mientras que
MH y CL si siendo CH el material maacutes oacuteptimo para estas condiciones de talud
Se infiere que al aumentar el aacutengulo a 45ordm el factor de seguridad disminuye
siendo dicho valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0500
1000
1500
2000
2500
000 020 040 060
FS
RU
45ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
104
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 se observa que para los
suelos CH y MH cumple para el aacutengulo de 45ordm mientras que para el suelo CL no
cumple con dicha condicioacuten cuando presenta un fenoacutemeno de sismo
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 60deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 35 se evidencia que CL describe un comportamiento constante que
disminuye FS en un 27 al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y
05 con FS entre 024 a 044 respectivamente incumpliendo la NSR-10 A
diferencia del MH que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
000 020 040 060
FS
RU
60ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
105
medida que aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS Por otro lado en el suelo
compuesto por CH disminuye en 14 a medida que aumenta la condicioacuten de
agua
Se observa que el CH presenta un comportamiento constante frente al cambio
del factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas que cumplen con respecto al
valor brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se
establece a 105
De tal manera que el comportamiento para el MH se evidencia que el FS es
inversamente proporcional al factor ru debido que al aumentar las condiciones de
ru en el talud el FS disminuye cumpliendo con el valor miacutenimo descrito en NSR
10 hasta un ru de 04
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 45deg y una altura de 10 m
solo el CH y MH cumplen con el factor siendo materiales oacuteptimos para el disentildeo
siendo CH el mejor de ellos en condicioacuten dinaacutemico el CL no cumple con el factor
de seguridad miacutenimo establecido mientras que el CH es un material oacuteptimo para
las diferentes condiciones establecidas el MH en cambio cumple con aacutengulos
menores a 72ordm con un ru=025 mientras que en condiciones totalmente
saturadas cumple para aacutengulos de inclinacioacuten menores a 59ordmcomo se evidencia
en el anexo 3modelacioacuten adecuada para taludes compuestos por suelos
expansivos
106
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 75deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
En la figura 36 se evidencia que para condiciones estaacuteticas el FS se cumple
para el material de CH mientras que para los otros materiales de MH y CL no
cumple con las condiciones debido a que se encuentra por debajo de lo
establecido que es de 15 con la altura de 10 m De esta manera se evidencia en
los tres materiales que el FS es inversamente proporcional al ru con cambios de
08 en el valor del ru=0 hasta un 15 para un CH mientras que para el MH
varia entre el 2488 hasta el 3734 y para un CL la variacioacuten es de 018 a
025 pues entre mayor es dicho coeficiente menor es el factor de seguridad
Siendo afectado igualmente por el aacutengulo de inclinacioacuten y la geometriacutea del talud
Es asiacute como se infiere que al aumentar el aacutengulo a 75ordm el factor de seguridad
disminuye siendo el valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
000 020 040 060
FS
RU
75ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
107
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 cuando se encuentra
amenazado por un factor de sismo se observa que para los suelos CH cumple
para el aacutengulo de 75ordm mientras que para el suelo MH cumple hasta condiciones
de ru= 01 lo que indica que para condiciones de ru= 025 04 y 05 no cumpliriacutea
con dicha condicioacuten es asiacute como se observa el CL no cumple las condiciones
miacutenimas para el factor de seguridad en condiciones dinaacutemicas
Al realizar los diferentes modelos con las condiciones descritas se observa que el
paraacutemetro geomecaacutenico que modifica el comportamiento de los suelos expansivos
presentes en un talud es la cohesioacuten por lo tanto se ejecuta sensibilizacioacuten del
paraacutemetro y se hace una anaacutelisis del comportamiento que presenta frente a
cambios de geometriacutea y paraacutemetro ru de donde se observa que de los valores
descritos en el anexo 4 Para un ru establecido con una altura y aacutengulos
seleccionados se debe tener una cohesioacuten mayor al valor presentado en la tabla
pues se tiene en cuenta que a partir de un factor de seguridad en condiciones
estaacuteticas 15 los valores de cohesioacuten deben estar por encima de dicho valor
mientras que en condiciones dinaacutemicas deben estar por encima del valor de 105
lo que indica que entre mayor sea el valor de cohesioacuten a los valores determinados
mayor seraacute la atraccioacuten y unioacuten de las partiacuteculas del suelo evitando asiacute que se
presente un proceso de remocioacuten en un talud aumentando respectivamente el
factor de seguridad
108
9 CONCLUSIONES
Se definieron los paraacutemetros geomecaacutenicos de los materiales que se analizan en
cada una de las modelaciones (arcillas y limos) a partir de la informacioacuten descrita
en los antecedentes del presente trabajo de grado Gracias al libro de Amer Ali Al-
Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soil En Effect of remolding
techniques on soil swelling and shear strength properties Londres Taylor amp
Francis e-Library 2006 a partir del cual se obtiene detalle sobre los
comportamientos de suelos expansivos en taludes de tal manera que se ejecutan
diferentes modelaciones en las que se tienen en cuenta cambios en la geometriacutea
con el fin de comparar los factores de seguridad a traveacutes de graacuteficas de las cuales
se concluyoacute
El factor de seguridad es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la
altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica de donde se observa
detalladamente la influencia de la altura en el disentildeo del talud en el cual se
identifica que para alturas de 20 m conformado por este tipo de suelos bajo esta
condiciones de modelacioacuten los factores de seguridad tanto en condiciones
dinaacutemicas como estaacuteticas estaacuten por debajo del valor descrito en la Norma Sismo
Resistente Colombiana tiacutetulo H tabla H69-1 en donde se especiacutefica que la
estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetica debe ser de 150
y para condicioacuten dinaacutemica 105 sin embargo para los taludes con alturas de 10 m
se identifica que los suelos compuestos por arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(MH) son materiales con excelentes comportamiento en condicioacuten estaacutetica y
dinaacutemica mientras que el limo inorgaacutenico de alta plasticidad es oacuteptimo en
condiciones criacuteticas con sismo y ru=05 para inclinaciones de 45deg o menores y
con sismo y ru=025 inclinaciones de 60deg o menores
109
La arcilla de alta plasticidad (CH) contiene una cohesioacuten mayor comparada a la
de la arcilla de baja plasticidad (CL) y al limo de alta plasticidad (MH) lo que
indica una mayor resistencia a la presencia de agua lo que genera mayor
estabilidad en el talud asiacute mismo el CH por presentar un valor de liacutemite liacutequido
mayor es susceptible al cambio de estado de plaacutestico a liacutequido contrario a lo que
sucede con el MH ya que su liacutemite plaacutestico es mayor al resto de los suelos debido
a esto es susceptible al cambio de estado de semi-soacutelido a plaacutestico De igual
manera para que la arcilla de alta plasticidad cambieacute de estado es necesario que
el suelo presente un mayor valor de ru=05 que en suelos expansivos este valor
es hasta 067
Para las modelaciones que se realizan en el presente proyecto se utiliza el
software Slidereg el cual resulta de faacutecil manejo con respecto al anaacutelisis del factor
de seguridad en diferentes condiciones de ru en estado dinaacutemico y sismo Asiacute
mismo el meacutetodo utilizado (Bishop simplificado) es un meacutetodo que a pesar de solo
satisfacer el equilibrio de momentos y no cumplir con la totalidad de las
ecuaciones de la estaacutetica presenta exactitud frente a los resultados que se
obtienen en comparacioacuten al meacutetodo ordinario El cual utiliza las dovelas en donde
se tiene en cuenta las fuerzas entre las mismas siendo el maacutes utilizado para
calcular el factor de seguridad de los taludes la uacutenica restriccioacuten que presenta es
que solo considera las superficies de falla circulares
Con respecto al aacutengulo de inclinacioacuten en un talud el mismo tiene una afectacioacuten
directa del factor de seguridad ya que a medida que la reconformacioacuten geomeacutetrica
del talud aumenta se genera una condicioacuten de inestabilidad directa con respecto
a la geometriacutea lo que se evidencia en las graacuteficas para un talud de 30ordm a 75ordm
respectivamente en un 28 en estado estaacutetico y un 16 en estado dinaacutemico para
un MH en estado estaacutetico es un factor de reduccioacuten de 59 mientras que en
dinaacutemico es del 42 y para CL es de 27 para dinaacutemico y estaacutetico
110
10 RECOMENDACIONES
Dentro de las recomendaciones se exponen las diversas limitaciones existentes en
cuanto a paraacutemetros geomecaacutenicos que se usan en las modelaciones y los
meacutetodos para observar el comportamiento mecaacutenico del suelo y el caacutelculo del
factor de seguridad
Para los paraacutemetros geomeacutetricos de los taludes modelados se recomienda el
disentildeo de taludes de 45deg a 60deg dependiendo del espacio del terreno ya que una
mayor inclinacioacuten implica mayores costos y el talud se hace susceptible a sufrir
procesos de remocioacuten en masa Asiacute mismo se recomiendan alturas de 10 m para
este tipo de suelos expansivos ya que mostraron mejores factores de seguridad
Cuando se tiene presencia de limos de alta plasticidad se hace necesario tener
inclinaciones en los taludes menores a 67ordm con alturas de 10m y Ru=0 mientras
que para un Ru=025 se recomienda hacer el disentildeo de un talud con una
inclinacioacuten menor a 51ordm y en estado dinaacutemico con una inclinacioacuten menor a 72ordm y
con un Ru=05 menor a 59ordm con el fin de que cumpla con los criterios descritos en
la Norma Sismo Resistente Colombiana titulo H
Para obtener el disentildeo de un talud en el presente proyecto de grado se
recomienda tener precisioacuten en el suelo sobre el cual se vaya a disentildear debido a
que se presenta los paraacutemetros geomecaacutenicos para resultados de factores de
seguridad que dependen por completo de la definicioacuten de los mismos y al
variarlos no se comportaraacuten de la manera en que se analizoacute en el presente trabajo
de grado Esto se comprueba durante la modelacioacuten realizada debido a que se
generan diferentes modelos con diferentes paraacutemetros geomecaacutenicos no
mencionados en el presente trabajo pero si tenidos en cuenta para la seleccioacuten
de los mismos
111
En la modelacioacuten de taludes del proyecto se utilizoacute el meacutetodo de Bishop
Simplificado para la modelacioacuten en el software Slidereg de tal manera que la
modelacioacuten queda abierta a la utilizacioacuten de los diversos meacutetodos existentes
112
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114
NORMA COLOMBIANA SISMO RESISTENTE Titulo H Capitulo
H5Excavaciones y estabilidad de taludes
PARAacuteMETROS DE DIFERENTES TIPOS DE SUELOS [En liacutenea] lt
httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-diferentes-
propiedades-de-los-suelosgt [Citado en 11 de noviembre del 2015]
RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento
Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de Campoalegre ndash Ciudad de
Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47
regionales [en liacutenea] lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril
del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
SUAREZ DIacuteAZ JAIME Universidad central de Santander Profesor de la
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TESIS MEacuteTODOS DE EXPLORACIOacuteN DE SUELOS [En liacutenea]
lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en 23 de
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VILLALAZ CARLOS CRESPO Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta
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dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
1
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDAD
Fuente propia
ANGULO
(ordm) H(m) RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05
10 136 80 08 212 309 304 377 374 136 79 07 213 392 244 382 204 392 244 382 205 309 304 377 374
20 525 178 17 202 290 273 281 270 525 143 452 52 535 364 505 306 534 364 505 306 290 273 281 270
10 08 178 17 201 308 304 372 368 08 178 17 202 313 154 361 207 313 154 361 208 308 304 372 368
20 236 90 310 57 316 308 312 303 236 89 310 57 440 239 475 260 447 240 475 260 316 308 312 303
10 86 266 72 240 308 305 355 352 86 266 72 240 243 54 305 147 244 54 305 147 308 306 355 352
20 55 253 176 173 350 343 291 282 55 254 176 174 384 119 397 131 384 119 397 131 349 343 291 282
10 156 361 109 304 309 305 331 327 156 361 19 34 182 88 249 33 182 88 249 33 309 305 331 327
20 23 367 104 298 312 303 313 304 23 368 104 298 328 101 378 10 328 101 378 10 312 304 314 305
ANGULO
(ordm) H(m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICOESTAacuteTICO DINAgraveMICO RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 10 09 1982 2250 020 033 313 313 413 412 380 381
20 29 20 1333 2900 191 061 338 332 369 385 329 329
10 08 09 1908 1940 022 022 295 295 312 316 359 324
20 17 19 2760 2940 043 064 328 340 288 363 360 325
10 07 07 2025 1860 024 023 257 257 245 200 306 306
20 14 17 3026 3093 032 044 323 325 245 252 262 262
10 08 07 2488 2249 018 010 198 200 152 124 223 222
20 15 15 3914 3734 037 025 246 246 187 163 248 24775
45
60
462
475
472
516505
546
578
633
503
502
503
504
ALTURA DE 10 metros A 20 metros
460
473
526
535
527
551
574
628
CH MH CL
528
502
478
521
CH MH CL
DE ESTAacuteTICO A DINAacuteMICO
RU=00 A RU=05
CL
ESTATICO DINAMICO
RU=00 A RU=05 RU=00 A RU=05
CL
MH CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
CAMBIO DE RU
MH
30
MH
CH CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTATICO DINAMICO
30
45
60
75
CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
MH CL
ESTATICO DINAMICO
116
2
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA GEOMETRIacuteA
Fuente propia
H (m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 28 16 59 42 27 27
20 26 16 69 59 9 18
CH MH CL
CON INCLINACIONES DE 30ordm A 75ordm
117
3
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
Fuente propia
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
NO CUMPLE
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X lt669ordm X lt59ordm X lt51ordm X X X X X X X lt72ordm X lt59ordm
NO CUMPLE gt67ordm gt60ordm X gt52ordm X gt73ordm gt60ordm X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
10 CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
10
20
RU=00 RU=025 RU=05RU=00 RU=025 RU=05
20
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
10
20
CL
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
118
4
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOS
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 325 352 39 45 33 36 39 46 36 38 43 50 34 36 395 465 335 36 40 465
MH C(Knm2) 15 235 31 42 23 32 39 44 20 27 36 475 23 30 38 51 223 31 40 52
CL C(Knm2) 39 42 49 58 36 39 42 50 33 35 39 45 36 385 425 495 359 389 43 495
DINAacuteM
ICA
RU RU RU RU RU
ESTAacuteTI
CARU RU RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
RU
0 01 025 04 05
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 34 353 36 392 34 35 36 391 34 352 37 40 34 353 37 40 34 353 37 40
MH C(Knm2) 0 0 0 328 0 0 30 347 0 0 32 375 0 31 348 408 30 33 36 425
CL C(Knm2) 404 42 424 443 404 42 425 442 40 418 42 442 405 42 424 442 408 419 42 442
DINAacuteM
ICA
RU RU
04 05
RU
025
ANGULOS (ordm)ANGULOS (ordm)
0
RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
01
ANGULOS (ordm)
119
6
EXPANSIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip118
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip119
7
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos 28
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa 30
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten 31
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos 32
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa 33
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos 37
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes 40
Tabla 8 Normatividad 42
Tabla 9 Variables 45
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos 50
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos 51
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no
consolidado no drenado Suelo natural antes de ser tratado 55
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos 58
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(CH) 61
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad
(CL) 62
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
68
Tabla 17Valores de factor de seguridad 77
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander 26
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo 39
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para MH 56
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para CL 57
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av 64
Figura 6Valores de Kst A max 65
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos 66
Figura 8 Modelo en slide para un CH 69
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico 70
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico 71
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico 71
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico 72
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico 72
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico 73
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico 74
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico 75
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico 75
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico 76
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico 76
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en
condicioacuten estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m 78
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 79
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros 80
Figura 23 Rangos de variables 81
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con
9
altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm 82
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con
ru=00 en condicioacuten estaacutetica 83
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y
05 en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm 84
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=0 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 90
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 92
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 94
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=000 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 96
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 98
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 99
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 101
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
45deg y altura de 10 m en CH MH y CL 103
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
60deg y altura de 10 m en CH MH y CL 104
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
75deg y altura de 10 m en CH MH y CL 106
10
GLOSARIO
Asentamientos deformacioacuten de un suelo
Asentamientos inmediatos causado por la deformacioacuten elaacutestica del suelo la
cual ocurre en estados del suelo saturado seco o huacutemedo
Asentamientos por consolidacioacuten es el cambio de volumen en suelos
cohesivos saturados debido a la expulsioacuten del agua que ocupan los poros Los
suelos cohesivos saturados son suelos arcillosos los cuales dependen de la
permeabilidad que contenga el suelo
Asentamientos por compresioacuten secundaria parte de una deformacioacuten que ya
sucedioacute y ocurrioacute con un esfuerzo efectivo constante con ninguacuten cambio de agua
en los poros siendo dependiente del tiempo esto ocurre por el reajuste del suelo
Colapso disminucioacuten raacutepida de volumen del suelo producida por el aumento de
los siguientes factores contenido de humedad grado de saturacioacuten tensioacuten
mediante actuante tensioacuten de corte y presioacuten de poros
Cohesioacuten es la atraccioacuten entre partiacuteculas originada por fuerzas moleculares y
peliacuteculas de agua Por lo tanto la cohesioacuten de un suelo variaraacute si cambia el
contenido de humedad esta propiedad se mide en kgcm2
Criterio de falla se da cuando en una familia de facetas de la tensioacuten alcanza
una inclinacioacuten criacutetica (f) con la normal a la faceta La ruptura seraacute cuando la
tensioacuten tangencial alcanza el valor mayor de esfuerzos cortantes
Expansioacuten la alteracioacuten de las condiciones naturales de una arcilla que
11
produzcan cambios en el contenido de agua esta se integra con la estructura
laminar de la arcilla y si estaacute confinado presentara una elevacioacuten en las presiones
internas del material
Factor de seguridad es empleado para comprender cuaacutel es el factor de que el
talud falle en las peores condiciones de comportamiento Fellenius (1927)
presentoacute el factor de seguridad como la relacioacuten entre la resistencia al corte real
calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte criacuteticos que tratan de
producir la falla a lo largo de una superficie supuesta
Friccioacuten es la resistencia al deslizamiento causado por la friccioacuten existente entre
las superficies de contacto de las partiacuteculas y su densidad de tal manera que es el
aacutengulo cuya tangente es la relacioacuten entre la fuerza que resiste el deslizamiento a
lo largo de un plano y fuerza normal aplicada a este plano
Geomecaacutenico implica el estudio geoloacutegico del comportamiento del suelo y las
rocas
Grietas de contraccioacuten fisuras relativamente anchas respecto a la longitud que
se abren cuando se contrae el suelo o una roca Su formacioacuten constituye un
fenoacutemeno caracteriacutestico de los suelos arcillosos que al descascararse forman una
red poligonal de las grietas de retraccioacuten
Grietas en cuntildea son verticales y son producidas en regiones friacuteas que se
encuentran formadas tras la congelacioacuten raacutepida del suelo
Hinchamiento separacioacuten de las laacuteminas que componen las arcillas por la
absorcioacuten de agua en el espacio inter-laminar
12
Iacutendice de plasticidad diferencia numeacuterica entre el Limite Liquido y el Limite
Plaacutestico Define el campo plaacutestico de un suelo y representa el porcentaje de
humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plaacutestico
Inestabilidad desequilibrio fluctuacioacuten e inconsistencia de un terreno cuando es
afectado por agentes externos
Limite liacutequido es el contenido de agua expresado en porcentaje respecto al
peso del suelo seco que delimita la transicioacuten entre el estado liacutequido y plaacutestico de
un suelo remoldeado o amasado
Liacutemite de contraccioacuten contenido de humedad por debajo del cual se produce
una reduccioacuten adicional de volumen o contraccioacuten en el suelo
Ladera declive lateral de un terreno cuya pendiente se conforma a traveacutes del
aacutengulo que se formoacute con la horizontal
Sensitividad proporcioacuten de la resistencia a compresioacuten simple en estado
inalterado entre la del estado remoldeado
Sensibilidad de paraacutemetros geoteacutecnicos es el anaacutelisis del comportamiento de
las propiedades que influyen en la estabilidad de taludes
Suelo parte superficial de la corteza terrestre bioloacutegicamente activa que proviene
de la desintegracioacuten o alteracioacuten fiacutesica
Suelos colapsables son los suelos que presentan un cambio de relacioacuten entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia uacuteltima
del material A este grupo pertenecen las arcillas cementadas los limos y rocas
13
de gran porosidad
Suelo expansivo es un tipo de suelo capaz de producir un aumento de volumen
en relacioacuten con los cambios de humedad que puedan llegar a presentarse Dichos
materiales tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla
debido a su estructura
Suelos desmoronables suelos en los que sin la presencia o cambio de
condiciones son capaces de producir colapso donde no existe un cambio abrupto
en relacioacuten presioacuten-deformacioacuten La saturacioacuten produce un cambio volumeacutetrico
debido al incremento de presioacuten de poros que origina la resistencia al corte del
suelo
Talud porcioacuten de tierra elevada de dimensiones variables generalmente
rematando por una cuneta y caracterizado por una vegetacioacuten especiacutefica Dicho
elemento es construido con el tiempo pero tambieacuten puede ser producto de la
ejecucioacuten realizada con una construccioacuten artificial con tierra o piedra de tal
manera que es conformada con cualquier superficie inclinada respecto a la
horizontal
Terreno porcioacuten de espacio generalmente plano de tierra en el cual no se tiene
nada construido de tal manera que se trata de un aacuterea en la que no existe un
edificio o algo que cubra la superficie del mismo
14
INTRODUCCIOacuteN
Uno de los problemas caracteriacutesticos de la ingenieriacutea civil es la estabilidad de
taludes ya que los suelos presentan comportamientos dependiendo de la
estructura que lo componen y de los factores tanto extriacutensecos como intriacutensecos
generando movimiento de tierras que pueden terminar siendo generadores de
procesos de remocioacuten en masa como deslizamientos debidos a fallas rotacionales
o traslacionales o caiacutedas de rocas y detritos generando afectaciones socio-
econoacutemicas a la regioacuten Por ello es importante abordar temas como la estabilidad
de taludes en suelos expansivos como lo son la arcilla de alta plasticidad (CH)
arcilla de baja plasticidad (CL) y limo de alta plasticidad (MH) con el fin de
identificar el comportamientos de dichos suelos ante variables geomeacutetricas de
nivel freaacutetico y sismo A partir de las propiedades geomecaacutenicas de los suelos
expansivos en estudio se modelan los taludes de los diferentes perfiles
estratigraacuteficos con la correspondiente asignacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos
por medio del software Slide reg en el que al variar las condiciones de sismo y
contenido de agua se analiza la influencia que tienen en el factor de seguridad del
talud
La escasez de informacioacuten en el tema del comportamiento de suelos expansivos
genera la importancia necesaria para estudiar y analizar el tema a profundidad
creando herramientas dirigidas a ingenieros civiles tanto en campo como en
oficina para disentildeos oacuteptimos de taludes
15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El territorio colombiano presenta variedad de suelos expansivos por su
complejidad en el comportamiento mecaacutenico se hace necesario conocer la
inestabilidad que pueden presentar principalmente este tipo de suelos1 Es asiacute
como en varias zonas de Colombia se evidencian climas friacuteos-secos lo que
ocasiona una condicioacuten de sequedad que hace que algunos tramos en los taludes
presenten caracteriacutesticas de suelos expansivos2 que se caracterizan por tener
liacutemites miacutenimos y maacuteximos de contenido de humedad entre los cuales se
presenta la expansioacuten y contraccioacuten
De esta manera se identifica que los suelos compuestos por arcillas y limos que
son capaces de retener gran cantidad de agua debido a su estructura este
proceso induce a movimientos que generan grietas y asentamientos del terreno
afectando directamente el comportamiento del suelo problema que se acusa con
los cambios estacionales debido a los ciclos de humedecimiento-secado asiacute
como la ascensioacuten de nivel freaacutetico3 de tal manera que esto presenta un riesgo
para los usuarios de las viacuteas que presentan esta tipologiacutea de material Otra de las
amenazas se identifica cuando ocurre un sismo debido a que estos suelos
tienden a transmitir las ondas del sismo con rapidez y amplitud lo que llega a
generar colapso del talud4
1 MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos
ambientalespg371 2 LEOacuteN SICARD Tomas Enrique Estado del Recurso del Suelo [en liacutenea]
lthttpwwwunperiodicounaleducodperarticleagroquimicos-envenenan-suelos-en-colombiahtmlgt [Citado en 9 de noviembre de 2013] 3ASEFA Patologiacuteas por arcillas expansivas Naturaleza y comportamiento [en liacutenea]
lthttpwwwconcretonlinecomindexphpoption=com_contentampid=3179ampItemid=27gt [citado en 5 agosto del 2015]
4CINNA LOMNITZ Las causas probables de la cataacutestrofe siacutesmica del 19 de septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica
UNAM Ciencia y desarrollo septiembreoctubre 1988 Vol XIV Nuacutem 82 CONACYT
16
Es asiacute como en varios lugares se han reportado movimientos en masa como
deslizamientos y fallas rotacionales en los cortes realizados en laderas debido a
la inestabilidad generada por los materiales de los que se encuentran compuestos
los suelos5
Debido a lo anterior se requiere hacer un estudio a los suelos expansivos los
cuales se identifican mineraloacutegicamente con la determinacioacuten de propiedades
baacutesicas tambieacuten a traveacutes de meacutetodos indirectos del potencial expansivo y
medidas directas de la expansioacuten esto con el fin de observar las caracteriacutesticas
geomecaacutenicas en la ejecucioacuten de taludes seguacuten los factores baacutesicos miacutenimos
descritos en la norma sismo resistente (NSR-10) Titulo H241
Es importante conocer iquestCuaacutel es el comportamiento de los paraacutemetros
geomecaacutenicos de taludes compuestos por suelos expansivos ante variables de
nivel freaacutetico geomeacutetria y sismo
5SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47 regionales [en liacutenea]
lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
17
2 ANTECEDENTES
Uno de los temas de mayor intereacutes en la Ingenieriacutea Civil es la estabilidad del
suelo debido a sus inesperados y diferentes comportamientos para los cuales se
hace necesario el estudio y anaacutelisis taludes con el fin de lograr estabilidad y
factores de seguridad oacuteptimos cuando se encuentran compuestos por suelos
expansivos
Se han presentado diferentes casos en donde se vuelve indispensable realizar
una caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes para el anaacutelisis de la vulnerabilidad
que tiene un sitio referente a un talud en donde se cuenta con aspectos que
definen la amenaza asociada valores encontrados para la vulnerabilidad fiacutesica6
metodologiacutea para la cual se determina el riesgo asociado a dicha vulnerabilidad
En torno a este tema en particular la mayoriacutea de las investigaciones trabajan de
forma aislada la amenaza la vulnerabilidad y no evaluacutean en forma precisa el
riesgo por la accioacuten de procesos de remocioacuten en masa que desestabilizan los
taludes con base en el esquema de la caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes es
posible desarrollar una metodologiacutea que evaluacutee el riesgo asociado a inundaciones
sismos vientos o realizar una metodologiacutea integral que involucre todas esas
variables7
En Colombia se presentan casos diversos de falla en viacuteas un ejemplo es la falla
que ocurrioacute en la viacutea Manizales ndash Mariquita Tramo 5006 Debido a la inadecuada
entrega de la alcantarilla presente en ese sitio esto produjo socavacioacuten en el talud
inferior de la viacutea quitaacutendole el soporte al muro ocasionando su volcamiento Ello
6 HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y vulnerabilidad Fiacutesica por taludes y laderas inestables
en la micro Cuenca de la quebrada Cay Ibagueacute Universidad del Tolima Departamento del Tolima Maestriacutea en
planificacioacuten y manejo ambiental de cuencas 2013 pg 119
7 ibiacuted p 119
18
acelero la rotura de un acueducto veredal que satura el relleno causando paso
restringido de vehiacuteculos a un solo carril8 El objetivo de este estudio fue identificar
las diferentes formas de estabilizacioacuten y plantear la solucioacuten definitiva
correspondiente a un sistema de estructura que consta de pilotes metaacutelicos
generando estabilizacioacuten del talud
La Universidad Nacional incluye en un estudio realizado como parte de la
caracterizacioacuten fiacutesica algunas teacutecnicas para el anaacutelisis de la composicioacuten
mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y propiedades
iacutendice en las arcillas de Barranquilla En donde se tomoacute como base el cambio
volumeacutetrico descrito en la mayoriacutea de investigaciones y como aporte al
conocimiento del comportamiento expansivo de las arcillas del distrito de
Barranquilla (Colombia) con desarrollo de un programa experimental orientado a
caracterizar sus propiedades fiacutesicas micro-estructurales y de comportamiento
geoteacutecnico en muestras naturales inalteradas La caracterizacioacuten fiacutesica incluye
composicioacuten mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y
propiedades iacutendice la microestructura de muestras naturales se analiza
cualitativamente usando teacutecnicas microscoacutepicas (oacuteptica y electroacutenica de barrido) y
deducciones indirectas a partir de curvas de retencioacuten de agua (CRA) por uacuteltimo
el comportamiento geomecaacutenico se enfoca en el estudio del cambio volumeacutetrico
en condiciones de humedecimiento - saturacioacuten y procesos de carga ndash descarga9
Alliacute se concluyoacute que el potencial de expansioacuten colapso bajo carga no depende
exclusivamente de la carga vertical aplicada antes de la saturacioacuten sino de las
condiciones de faacutebrica y succioacuten inicial del material esto difiere en lo que se
encuentra en estudios realizados en la zona10
8 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de
Campoalegre ndash Ciudad de Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
9 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
10 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
19
Se han desarrollado variedad de estudios sobre el comportamiento de suelos
expansivos como ejemplo el libro Expansive Soils editado por Amer Ali Al-Rawas
ampMattheus FA Goosen en el cual se describen avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento de suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar inconvenientes causados por la presencia de
los mismos en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada por la
expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten que presentan
debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel freaacutetico Se analizoacute el efecto
de las teacutecnicas de remoldeo en el hinchamiento de suelos y las propiedades de las
fuerzas de cizallamiento que se presentan en los resultados de los efectos de
meacutetodos sobre la presioacuten por oleaje en el suelo resistencia a la compresioacuten
inconfinada Para lo cual se tomaron tres tipos de suelos CH CL y ML con
muestras inalteradas que fueron seleccionadas en la zona norte de Jordania con
una amplia gama de contenido de arcilla
Las propiedades fiacutesicas de estos suelos incluyendo la gradacioacuten el liacutemite plaacutestico
y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco maacuteximo y el
contenido oacuteptimo de agua se obtienen a traveacutes de las especificaciones con las
que cuentan las normas ASTM Las muestras de suelos perturbados y no
perturbados se obtuvieron de los lugares descritos en el paacuterrafo anterior y fueron
probadas en el laboratorio de mecaacutenica de suelos en Jordan Universidad de
Ciencia y Tecnologiacutea Los especiacutemenes remoldeados estaban preparados para la
compresioacuten inconfinada y los ensayos de hinchazoacuten utilizando tres teacutecnicas de
remoldeo dinaacutemicas estaacuteticas y amasado Esto con el fin de lograr un estudio en
el potencial de hinchamiento de ese tipo de suelos ante los diferentes ensayos La
evaluacioacuten de la presioacuten debida a la hinchazoacuten la inflamacioacuten potencial y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada se vio afectada por el meacutetodo de
remodelacioacuten
20
Por lo tanto de este ensayo se concluyoacute que las muestras inalteradas obtienen
valores altos de presioacuten de hinchamiento la remodelacioacuten dinaacutemica tuvo los
valores maacutes altos de la hinchazoacuten y la compresioacuten inconfinada seguido por la
fuerza estaacutetica y el remoldeo por amasado respectivamente de esta manera se
observa que el contenido inicial de agua afecta tanto a la presioacuten de la hinchazoacuten
como a la resistencia a la compresioacuten inconfinada
De esta manera se encuentra el desarrollo de otro estudio ejecutado en el libro de
Expansive Soils en donde se describe una serie completa de pruebas referidas a
la compresioacuten no confinada (UC) no consolidado no drenado (UU) triaxiales y
columna resonante (RC) se realizaron sobre muestras estabilizadas
quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del sureste de Arlington Texas
despueacutes de haber sido sometido a ciclos (WD) repetidos de humectacioacuten-secado
inducido artificialmente en el laboratorio los cuales arrojaron unos resultados que
se utilizaron para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo plazo la
rigidez el efecto de hincharse y su continua contraccioacuten brindoacute respuesta del
suelo tratado incluyendo resistencia a la compresioacuten no confinada sin olvidar
resistencia al corte moacutedulo de corte dinaacutemico y material de amortiguacioacuten Se
utilizoacute meacutetodos de estabilizacioacuten que incluyen sulfato resistente cemento Tipo V
baja en calcio clase F mosca ceniza cal viva mezclaacutendolas con fibras de
polipropileno Muestras de suelo que se trataron y fueron curadas durante 7 diacuteas y
despueacutes se sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la UC UU y RC
la prueba Un ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua
potable en la sala de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a
140 F Encargoacute caacutemaras wd que permiten el monitoreo de 1-D al hincharse y
encogerse siendo esta la respuesta durante wd repetido Una dosis -por peso del
10 de cemento Tipo V el cual brinda mejor rendimiento general bajo realizado
con el ensayo de la resistencia al corte sin drenaje En donde se halloacute que Las
cenizas presentan malos resultados en comparacioacuten a todos los estabilizadores
21
con una simultaacutenea disminucioacuten de la c y bajo continuo w - d Aunque los valores
de fibras de cal suelo tratado tienden a aumentar con wd repetido Sin embargo
todos los suelos tratados superaron suelo natural despueacutes de 32 ciclos wd con el
tipo del 10 V suelo con cemento tratado mostrando un mejor rendimiento c-
De tal manera que la presencia de agua en este tipo de suelos los hace menos
resistencia a el ensayo de compresioacuten a fuerzas cortantes o de cizallamiento
debido a que alteran su estructura interna generando comportamientos
inadecuados para el cuerpo ingenieril debido a que se veraacuten afectadas las
construcciones realizadas sobre los mismos de esta manera seraacute necesario hacer
un tratamiento de estabilizacioacuten para proveer caracteriacutesticas mecaacutenicas
apropiadas de los suelos expansivos 11
11
Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos
y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
22
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos
por suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos
23
4 JUSTIFICACIOacuteN
Los suelos expansivos presentan algunas propiedades que pueden llegar a
generar variaciones en el comportamiento del suelo como los cambios
volumeacutetricos en presencia o ausencia de agua produciendo expansioacuten y
contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad portante y resistencia al corte
cuando se incrementa el contenido de agua
Al realizar cortes en laderas se presenta un cambio en la condicioacuten de resistencia
inicial del material lo que genera inestabilidad y un inminente riesgo el
comportamiento del suelo se analiza a traveacutes de la sensibilizacioacuten de paraacutemetros
que conduce a la mejora del factor de seguridad con respecto al disentildeo debido a
esto se llevoacute a cabo una comparacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes
los cuales brindaron soluciones oacuteptimas para el disentildeo de los mismos en suelos
expansivos
Es importante realizar el estudio de suelos expansivos y su comportamiento en
taludes ya que este tipo de suelos generan desplazamientos de materiales
Debido a que los suelos se hidratan y se hinchan estas condiciones se presentan
naturalmente tanto en eacutepocas de lluvia y en eacutepocas de sequia
Los riesgos que presenta en un proceso de estos son
Asentamientos en muros y cimientos
Deformacioacuten en los pavimentos y aceras
Movimientos de laderas
Roturas de cantildeerias y drenajes
Aparicioacuten de cavidades por disolucioacuten de sales
24
La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento de paraacutemetros
geomecaacutenicos en taludes ante variables de afectacioacuten para lo cual se realizan
aacutebacos que permitan identificar la manera en la que se ven afectados dichos
taludes y asiacute predecir su comportamiento por medio de programas de modelacioacuten
para el disentildeo de taludes con el fin de encontrar el factor de seguridad de disentildeo
y obtener las condiciones necesarias para la construccioacuten del mismo pensando en
el beneficio de la poblacioacuten
25
5 MARCO REFERENCIAL
El trabajo estaacute basado en la presentacioacuten de anaacutelisis sobre el comportamiento de
suelos expansivos en taludes con el fin de observar la inestabilidad del terreno el
cual se manifiesta mediante desplazamientos implicando ruina total o parcial de
sitios aledantildeos en donde se presenta este tipo de procesos de remocioacuten en masa
Este anaacutelisis conduce a un estudio referente a propiedades de los suelos que son
importantes las cuales generan cambios volumeacutetricos en presencia o ausencia de
agua produciendo expansioacuten y contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad
portante y resistencia al corte cuando se incrementa el contenido de agua
Es necesario tener presente conceptos como la composicioacuten y comportamiento
mecaacutenico de suelos expansivos que componen taludes asiacute mismo la afectacioacuten
que pueden generar estos suelos cuando son intervenidos por sismo y lluvia
Para el desarrollo de lo anterior se llevaraacute a cabo la presentacioacuten de los conceptos
tales como arcillas expansivas deslizamientos procesos de remocioacuten en masa
sensibilidad de paraacutemetros y anaacutelisis determiniacutestico
51 MARCO CONCEPTUAL
En el marco conceptual se establecen conceptos relacionados con la
investigacioacuten sobre la presencia de suelos expansivos como arcillas de baja alta
plasticidad y limos de alta plasticidad en taludes debido a que estaacute clase de
suelos tienen caracteriacutesticas de respuestas y comportamientos de expansioacuten y
contraccioacuten asociadas al humedecimiento y secado Por lo tanto la descripcioacuten
de estos comportamientos requiere el uso de un marco conceptual que incorpore
aspectos de anaacutelisis determiniacutesticos y meacutetodos de anaacutelisis con respecto al
comportamiento geomecaacutenico
26
Suelos Expansivos 511
Material susceptible que genera cambios de volumen los cuales se encuentran
directamente relacionados con cambios de humedad o variacioacuten con respecto al
contenido de agua La estructura del material retiene grandes cantidades de agua
lo que puede producir un aumento de volumen notorio12
El contenido de humedades un factor importante cuando se habla de la expansioacuten
de un suelo esto se presenta solo en los suelos expansivos como se observa en
la figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander cuando existen
variaciones climaacuteticas que influyen directamente en el comportamiento
generando grietas en el suelo13
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander
Fuente httpgooglaVWI0V
12
INGSPATRONE J amp PREFUMO JE La accioacuten de los suelos expansivos sobre las cimentaciones meacutetodos de
prevencioacuten y control Paacuteg 1-16[en
linea]lthttpwwwumeduuy_upload_descargaweb_descarga_204_AccindesuelosexpansivosAntildeo 2004gt[citado en 5 de
agosto del 2015]
13 Ibidp12
27
5111 Identificacioacuten de suelos expansivos
Los suelos expansivos se identifican de manera visual por varias caracteriacutesticas
tienen alta plasticidad si se observan en el terreno se encontraraacuten grietas
ocasionadas por la expansioacuten y contraccioacuten constante que sufre dicha superficie
esto se presenta cuando hay variacioacuten de humedad14
La identificacioacuten mineraloacutegica es una de las principales formas por las cuales se
ubican los suelos expansivos debido a que los meacutetodos maacutes recomendados son
difraccioacuten de rayos x anaacutelisis teacutermico diferencial anaacutelisis quiacutemico absorcioacuten de
tinte y la microscoacutepica electroacutenica Las cuales consisten en detectar la presencia
de minerales arcillosos que resultan expansivos15
5112 Ensayos de identificacioacuten de suelos expansivos
Es necesario ejecutar una valoracioacuten frente al comportamiento que puede llegar a
presentar un suelo con presencia de arcillas y limos cuando es sometido a
diferentes situaciones donde se ve alterada su composicioacuten de tal manera que
los diferentes ensayos permiten hacer un acercamiento de lo que sucede en la
realidad y especialmente en casos donde el suelo presenta humedad La tipologiacutea
y descripcioacuten de este tipo de ensayos se presenta en la tabla 1 Ensayos y
laboratorios en suelos descrita a continuacioacuten
14
INGSPATRONE Jamp PREFUMO JE Opcit1-16
15Ibid p1-16
28
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos
ENSAYOS Y LABORATORIOS
DESCRIPCIOgraveN
Hinchamiento Libre
Se humecta el suelo permitiendo una expansioacuten vertical
de una probeta por lo que el confinamiento lateral impide
la deformacioacuten lateral se realiza sobre muestras
inalteradas saturadas
Determinacioacuten de la presioacuten maacutexima del
hinchamiento
Impide la expansioacuten vertical al aplicar tensioacuten vertical
necesaria que compensa dicho hinchamiento se realiza
sobre muestras inalteradas Y saturadas
Ensayo de Lambe
Consiste en la preparacioacuten de una probeta de suelo que
se compacta en condiciones estandarizadas de humedad
inicial de tal manera que se impide una expansioacuten lateral
confinaacutendola en un anillo Una vez producida la
inundacioacuten de la ceacutelula se determina la tensioacuten maacutexima
de tensioacuten mediante un anillo dinamomeacutetrico con el
bastidor quienes se encargan de ejercer la reaccioacuten ante
la fuerza de expansioacuten que manifiesta la muestra al
hinchar El valor de esta tensioacuten maacutexima de hinchamiento
permite una clasificacioacuten cualitativa del material en
funcioacuten de ciertos grados de expansividad
Ensayo de volumen de sedimentacioacuten
Este criterio fue dado por Holtz y Gibbs el cual se utilizaba
para averiguar el potencial de hinchamiento de un suelo
consiste en depositar 10 cm3 de suelo seco que pase por
el tamiz Nordm40 en un cilindro graduado con 100 cm3 de
agua y se observa el aumento del volumen de la muestra
una vez sedimentada debido al hinchamiento dio
resultado se expresa en porcentaje de aumento de
volumen respecto al volumen inicial del suelo
Liacutemite Liacutequido
Es el contenido de humedad para el cual el suelo pasa
de un estado liacutequido a plaacutestico el ensayo que permite
determinar el liacutemite liquido consiste en colocar diferentes
muestras de suelo con humedad variable en un
recipiente o taza metaacutelica accionada por medio de una
manivela que se encarga de levantarla y dejarla caer
29
Fuente compilacioacuten propia tomado de Ensayos sobre suelos expansivos[en
liacutenea]lthttpwwwestudiosgeotecnicosinfoindexphpensayos-laboratorio-suelos-expansivosgt [citado en 5 de agosto del
2015]
Liacutemite liacutequido
repetidas veces Antes de inicia el ensayo se realiza una
ranura de diferentes dimensiones con una espaacutetula
contando el nuacutemero de golpes con el fin de que la ranura
quede frac12 pulgada cerrada Dichos datos se grafican y
cuando la curva obtenida corta la liacutenea correspondiente a
los 25 golpes se considera este valor como el limite
liquido del suelo
Liacutemite Plaacutestico
Es el contenido de humedad para el cual se cambia del
estado plaacutestico al semisoacutelido de tal manera que en el
estado plaacutestico el suelo es semi moldeable mientras que
en el semisoacutelido se agrieta amoldaacutendose El limite plaacutestico
queda definido cuando el suelo contiene justo la humedad
necesaria para que al amasar manualmente bastoncitos
de 03 cm estos no se agrieten y se rompan
Liacutemite de Retraccioacuten
Este liacutemite queda determinado por la miacutenima cantidad de
agua necesaria para llenar los poros de una muestra de
suelo seco a este liacutemite corresponde el menor volumen de
la masa del suelo determinado por la frontera entre el
estado soacutelido y semisoacutelido En las arcillas este liacutemite
alcanza el 5 y el 10 lo que indica que la capacidad
portante se incrementa a medida que disminuye el
porcentaje de humedad
Ensayo de Triaxial
A traveacutes de esta prueba se identifican las propiedades
de tensioacuten- deformacioacuten del suelo en este ensayo una
muestra de suelo ciliacutendrica normalmente con una
relacioacuten de altura-diaacutemetro se somete a dos
incrementos de tensioacuten axial y radial dicha muestra se
encuentra protegida con una membrana y las tensiones
radiales son impuestas por una presioacuten de confinamiento
en todas sus caras Los esfuerzos axiales son impuestos
por un vaacutestago que penetra la caacutemara de confinamiento
hasta que se produce la rotura
30
De esta manera se hace necesario identificar los tipos de deslizamientos que se
presentan en taludes los cuales generan un proceso de remocioacuten en masa
afectando de manera directa la poblacioacuten a niveles sociales econoacutemicos entre
otros identificados en la tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Fuente Compilacioacuten propia del libro de Suarez Jaime Diacuteaz Deslizamientos y estabilidad de taludes
31
ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL
BLANDO
ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES
TIPO IMAGEN
MATERIAL HOMOGENEO
MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
Seguacuten la composicioacuten y estructura del talud se produce un tipo deslizamiento esto
puede observarse en la tabla 3Efectos de la estructura en la formacioacuten de
deslizamientos de rotacioacuten donde se describe el efecto del deslizamiento
causado seguacuten la estructura del talud
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten
32
Por lo tanto Los paraacutemetros geomecaacutenicos son elementos necesarios que ayudan
a la comprensioacuten del anaacutelisis con respecto al comportamiento del suelo en el
presente trabajo se hace el estudio de los paraacutemetros descritos en la tabla 4
Paraacutemetros geomecaacutenicos
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Conociendo los paraacutemetros geomecaacutenicos que componen cada uno de los suelos
se identifica el concepto de remocioacuten en masa el cual es el desplazamiento de
grandes voluacutemenes de material superficial descrito de manera detallada en la
tabla 5Procesos de remocioacuten en masa
PARAacuteMETRO CONCEPTO ECUACIONES DESCRIPCIOacuteN
DENSIDAD
Relacioacuten entre la unidad de peso y la unidad de
voluacutemen de la fase soacutelida del suelo siendo maacutes o
menos constante ya que estaacute determinado por la
composicioacuten quiacutemica y mineraloacutegica de la fase
soacutelida
ρ=mV
ρ= densidad
m= masa
V= volumen
PESO ESPEacuteCIFICO
Se definen peso especiacutefico relativo a la relacioacuten entre
el peso especiacutefico de una sustancia y el peso
especiacutefico del agua destilada a 4 grados centigrados
sujeta a una atmoacutesfera de presioacuten
Pc=pV
Pc= Peso especigravefico
P=Peso
V= volumen
CARACTERISTICAS
ESTRUCTURALES
Se refiere a la orientacioacuten de las discontinuidades
tamantildeo y forma de rocas espaciado grado de
fracturacioacuten del macizo rocoso aacutengulo de inclinacioacuten
No aplica
EFECTO DEL AGUA
La estabilidad del talud y resistencia al cizallamiento
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos
33
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa
Fuente Ajustado de httpjulsgeoambientaljimdocomportafolioremocioacuten en masa
Es asiacute como el subsuelo o sustrato es la capa de suelo debajo de la capa
superficial de la tierra El cual incluye sustancias como arcilla yo arena que soacutelo
han sido parcialmente desglosadas por aire luz solar agua viento etc para
producir suelo verdadero Debajo del subsuelo estaacute el sustrato que puede
ser rocoso de sedimentos o depoacutesitos eoacutelicos en gran medida afectados por
factores formadores de suelo activo en el subsuelo El subsuelo contiene
LITOLOacuteGICOS ESTRUCTURALES TOPOGRAacuteFICOS ANTROacutePICOS TECTOacuteNICOS CLIMAacuteTICOS
El material superficial
se encuentra suelto y
puede ser removido
con facilidad en una
ladera por efecto de la
presioacuten de una
cantidad de agua
necesariamente si
bajo este material
superficial existe roca
consolidada e
impermeable
En el relieve se
presentan grietas o
diaclasas juntas que
por efecto de la
meteorizacioacuten fiacutesica
quiacutemica o bioloacutegica
provocan el
desmenuzamiento o
descomposicioacuten de
las rocas
Existen laderas de
montantildeas de colinas
con pendiente
abruptas o de terrenos
muy inclinados
En aacutereas con
pendientes
fuertemente taladas
(deforestadas) por el
hombre el material
superficial queda
expuesto a la
intemperie
Las ondas siacutesmicas
provocan el
desplazamientode
materiales
superficiales o de
unidades maacutes
importantes del relieve
como puede ser un
aacuterea accidentada o
no
Caen fuertes
precipitaciones o
caen de manera
continua provocan
deslizamientos sea
por aumento de
sobrecarga o por
cambios extremos en
las temperaturas las
cuales quiebran los
mantos rocosos
Es el desplazamiento de grandes voluacutemenes de material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por accioacuten directa de la fuerza de
gravedad hasta volver a encontrar un nuevo punto de reposo Los movimientos de masa se presentan sobre todo en la eacutepoca lluviosa o
durante una actividad siacutesmica
PROCESOS DE REMOCIOacuteN EN MASA
Se produce porque la fuerza actuante (sobrecarga) que es originada normalmente por el agua ejerce una presioacuten hacia abajo que rompe el
equilibrio existente hasta ese momento la gravedad proporciona la energiacutea adicional requerida para que se produzca el movimiento
descendente En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve se origina fundamentalmente por los movimientos siacutesmicos
FACTORES
CONCEPTO
ORIGEN
MOVIMIENTOS COMUNES
Formacioacuten de una superficiede ruptura recta o
curvada a partir de la cual se desplaza toda la
porcioacuten de terreno separada del conjunto con
la misma velocidad en todas sus partes
conservando su estructura y forma original
DESLIZAMIENTOS REPTACIOacuteN
Movimiento lento del suelo yo de detritos
rocosos cuesta abajo por lo general no
perceptible que afecta la parte superficial de
la ladera la capa de suelo y en algunos casos
la parte superior de la roca alterada Causas
lluvias o de fusioacuten de nieves que saturan los
suelos en ambientes huacutemedos y sobre
laderas con pendientes moderadas
DERRUMBAMIENTO
Incluye movimientos y caida directa de
material rocoso de variable dimensiones
Son causados por La fuerza gravitacional de
la tierra Grado e inestabilidad de fracturas de
la roca Efecto de meteorizacioacuten Efectos de
congelamiento del agua en las fracturas
34
partiacuteculas parcialmente degradadas por lo general de un tono maacutes claro de color
marroacuten o amarillo y contiene las raiacuteces profundas de las plantas grandes como los
aacuterboles
Existen diferentes meacutetodos de exploracioacuten para tomar muestras alteradas e
inalteradas
Una muestra alterada es aquella que estaacute constituida por material
disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales
para conservar las caracteriacutesticas de estructura y humedad in situ no
obstante en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua
original del suelo para lo cual las muestras se envasan en recipientes
impermeables y se transportan de forma que esteacuten protegidas de los
agentes atmosfeacutericos Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de
suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice y preparar especiacutemenes
compactados para someterlos a pruebas mecaacutenicas (SAHOP 1974)
Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura no
sufre de alteraciones quiacutemicas ni de humedad es decir conserva las
propiedades que teniacutea in situ Estas muestras se utilizan en el laboratorio
para identificar el tipo de suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice
y mecaacutenicas16
Las muestras inalteradas se obtendraacuten de suelos finos que pueden labrarse sin
que se disgreguen La obtencioacuten puede efectuarse en el piso o en las paredes de
una excavacioacuten como en un pozo a cielo abierto en la superficie del terreno
natural o en la de una terraceriacutea La excavacioacuten para obtener una muestra deberaacute
16Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015]
35
ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extraccioacuten de
la misma Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo
en su estado natural por lo que su obtencioacuten empaque y transporte requieren
cuidados especiales a fin de no alterarlas Las muestras deben ser identificadas
claramente Las superficies que esteacuten expuestas deben ser protegidas con
material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que
amortiguumlen las vibraciones que pudiera sufrir 17
5113 Problemas de los suelos expansivos en taludes y laderas ante
solicitaciones
Los terrenos con pendiente pronunciadas son aquellos que tienen susceptibilidad
ante fenoacutemenos como lo son los deslizamientos amplificacioacuten siacutesmica entre
otros18
Un sismo en materiales expansivos brindaraacute una respuesta dinaacutemica generada
por los suelos esto dependeraacute de las condiciones del esfuerzo de confinamiento y
del nivel de deformacioacuten que presenten los materiales de esta manera el suelo
no disipara energiacutea por poco amortiguamiento y la degradacioacuten a traveacutes de los
ciclos seraacute pequentildea lo cual indica una respuesta elaacutestica lineal Es asiacute como a
grandes deformaciones el suelo disipa mayor energiacutea por alto amortiguamiento y
la presioacuten de poro iguala el esfuerzo efectivo de confinamiento producieacutendose un
deterioro del suelo y por consiguiente la peacuterdida de resistencia por lo tanto la
respuesta es no lineal donde la rigidez decrece con el nuacutemero de ciclos19
17
Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015] 18
Criterio para calificar los suelos con fines urbanos [en liacutenea]lt httpesslidesharenetcarlosjcamachopresentacin-
de-la-materia-3742687gt [citado en 3 de octubre del 2009] 19
Comportamiento Dinaacutemico de las Arcillas [en liacutenea]
lthttpwwwptolomeounammx8080jspuibitstream132248521006014A4pdfgt[citado en 2 de enero del 2009]
36
Otro de las solicitaciones que modifican el estado de un talud se refiere a la
cantidad de agua que se infiltre por el suelo debido a que los periodos climaacuteticos
del antildeo se modifican y dependiendo de la cantidad de precipitacioacuten aumentaraacute o
disminuiraacute el nivel freaacutetico es asiacute como los suelos expansivos sufriraacuten aumento o
disminucioacuten de volumen seguacuten la cantidad de agua sea mayor o menor lo que
causara el hinchamiento en eacutepocas de lluvia y retracciones en eacutepoca seca
generando grietas y posterior rotura del suelo
Por consiguiente la gravedad podraacute causar deslizamientos con este tipo de suelos
De esta manera se presentaran perdida de asentamientos en muros y cimientos
deformacioacuten en pavimentos en las aceras movimientos de laderas y aparicioacuten de
cavidades por disolucioacuten de sales
En el caso de las cargas soportadas por suelos expansivos como lo son
pequentildeas zapatas soportando cargas livianas son faacutecilmente levantadas
mientras que cuando las zapatas son de gran tamantildeo y soportan cargas pesadas
no ocurre este proceso20
5114 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Dentro de los meacutetodos de exploracioacuten de suelos existen dos clasificaciones
meacutetodos directos y meacutetodos indirectos En la tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de
suelos se muestra una clasificacioacuten general de los meacutetodos de exploracioacuten maacutes
usuales y una breve descripcioacuten21
20
Villalaz Carlos Crespo Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta edicioacuten MexicoLimusa2004ISBN 968-18-6489-1
21 Tesis Meacutetodos de exploracioacuten de suelos [En liacutenea] lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en
23 de Junio de 2015]
37
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Meacutetodo Descripcioacuten
Meacutetodos
directos
Pozos a cielo
abierto
Es el meacutetodo maacutes satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo
Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse
en eacutel examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer
muestras alteradas e inalteradas Su aplicacioacuten eficiente resulta sobre suelos
cohesivos
Pala
posteadora
Es un meacutetodo manual de exploracioacuten somera que consiste en hincar un barreno y
obtener muestras del tipo alterado pero representativas en cuanto al contenido de
agua Se utiliza en lugares donde otros equipos mecaacutenicos no pueden ser usados
Tubo Shelby Consiste en un tubo afilado de 75 a 10 cm de diaacutemetro que se hincan a presioacuten
para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o
semiduros
Sondeo de
penetracioacuten
estaacutendar
Con esta teacutecnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la
resistencia al corte con el nuacutemero de golpes con el que se hinca el penetroacutemetro
una distancia de 30 cm El equipo consta de un penetroacutemetro el cual se hinca a
golpes mediante un martinete de 635 kg que cae desde 76 cm de alto
Muestreador
Denison
Consiste en dos tubos conceacutentricos que se hinca en el suelo para obtener
muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyeccioacuten de fluido de
perforacioacuten que se hace circular entre ambos tubos
Meacutetodos
indirectos
Meacutetodo
siacutesmico
Consiste en provocar una explosioacuten en un punto determinado del aacuterea a explorar
usando una pequentildea carga de explosivo usualmente nitro amonio Por la zona a
explorar se situacutean geoacutefonos cada 15 oacute 30 cm Este procedimiento se funda en la
velocidad de propagacioacuten de las ondas vibratorias de tipo siacutesmico a traveacutes de
diferentes medios materiales
Meacutetodo de
resistividad
eleacutectrica
Consiste en inducir una corriente eleacutectrica a traveacutes de los suelos de tal forma que
se presente una mayor o menor resistividad eleacutectrica para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo Mayores resistividades corresponden a rocas
duras siguiendo con rocas suaves y asiacute sucesivamente hasta valores menores
correspondientes a suelos suaves saturados
Meacutetodos
magneacuteticos y
gravimeacutetricos
Para el primero se utiliza un magnetoacutemetro que mide la componente vertical del
campo magneacutetico terrestre en la zona considerada en varias estaciones
proacuteximas entre siacute En los meacutetodos gravimeacutetricos se mide a aceleracioacuten del
campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar La informacioacuten
que proveen estos meacutetodos es algo erraacutetica y difiacutecil de interpretar
Fuente Ajustado de httptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdf
38
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 512
Se describen los diferentes meacutetodos de anaacutelisis en taludes con la finalidad de
observar la diferencia entre los mismos e identificar cuaacutel de ellos cumple con la
desarrollo del trabajo en el anaacutelisis del valor de factor de seguridad resumidos en
la graacutefica 2 Meacutetodos de caacutelculo
5121 Meacutetodos de equilibrio liacutemite
Se basan en leyes de la estaacutetica determinando el estado de equilibrio de un
terreno inestable No tienen en cuenta las deformaciones del terreno Suponen
que la resistencia al corte se moviliza total y concordantemente a lo largo de la
superficie de corte Se pueden clasificar en dos grupos
bull Meacutetodos exactos
bull Meacutetodos no exactos
5122 Meacutetodos exactos
El uso de las leyes de la estaacutetica da una solucioacuten exacta al problema Esto soacutelo es
posible en taludes de geometriacutea sencilla como por ejemplo la rotura planar y la
rotura por cuntildeas
5123 Meacutetodos no exactos
En la mayoriacutea de los casos la geometriacutea de la superficie de rotura no permite
obtener una solucioacuten exacta del problema solamente mediante la aplicacioacuten de las
leyes de la estaacutetica El problema es hiperestaacutetico y ha de hacerse alguna hipoacutetesis
previa que permita su resolucioacuten Se pueden tomar los meacutetodos que consideran el
equilibrio global de masa deslizante hoy en desuso y los meacutetodos de las dovelas
o rebanadas que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas
verticales
39
Los meacutetodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en
Meacutetodos aproximados que no cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica
Se pueden nombrar los meacutetodos de Fellenius Janbu y Bishop simplificado
Meacutetodos completos que cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica Los
conocidos son los meacutetodos de Morgenstern-Price Spencer y Bishop
riguroso
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo
Fuente Propia
A traveacutes de los meacutetodos de caacutelculo se desarrollan los meacutetodos de anaacutelisis para
estabilidad de taludes estos son de gran importancia para el desarrollo a nivel
numeacuterico con el fin de identificar que sucede en un talud al cambiar y modificar
ciertos paraacutemetros geomecaacutenicos mostrados dichos meacutetodos en la tabla 7
Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
40
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
Meacutetodo de
tablas o
nuacutemero de
estabilidad
Para los taludes simples homogeacuteneos se han desarrollado tablas que
permiten un caacutelculo raacutepido del factor de seguridad Existe una gran cantidad
de tablas desarrolladas por diferentes autores La primera de eacutestas fue
desarrollada por Taylor en 1966 Desde entonces han sido presentadas
varias tablas sucesivamente por Bishop y Morgenstern (1960) Hunter y
Schuster (1968) Janbuacute (1968) Morgenstern (1963) Spencer (1967)
Terzaghi y Peck (1967) y otros
Meacutetodo del
talud infinito
El meacutetodo del talud infinito es un sistema muy raacutepido y sencillo para
determinar el factor de seguridad de un talud suponiendo un talud largo
con una capa delgada de suelo en el cual cualquier tamantildeo de columna de
suelo es representativo de todo el talud Las suposiciones del meacutetodo del
talud infinito son las siguientes suelo isotroacutepico y homogeacuteneo talud
infinitamente largo y superficie de falla paralela al talud El principal uso del
meacutetodo del talud infinito es la elaboracioacuten de planos de amenaza a los
deslizamientos mediante el uso de SIGS
Meacutetodo del
bloque
deslizante
El anaacutelisis de bloque puede utilizarse cuando existe a una determinada
profundidad una superficie de debilidad relativamente recta y delgada La
masa que se mueve puede dividirse en dos o maacutes bloques y el equilibrio de
cada bloque se considera independientemente utilizando las fuerzas entre
bloques No considera la deformacioacuten de los bloques y es uacutetil cuando existe
un manto deacutebil o cuando aparece un manto muy duro sobre el cual se
puede presentar el deslizamiento
Meacutetodo
Ordinario o
de Fellenius
Conocido tambieacuten como meacutetodo Sueco meacutetodo de las Dovelas o meacutetodo
USBR Este meacutetodo asume superficies de falla circulares divide el aacuterea
de falla en tajadas verticales obtiene las fuerzas actuantes y resultantes
para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de
Seguridad
41
Meacutetodo de
Bishop
Bishop (1955) presentoacute un meacutetodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta
el efecto de las fuerzas entre las Dovelas El meacutetodo simplificado de Bishop
es uno de los meacutetodos maacutes utilizados actualmente para el caacutelculo de
factores de seguridad de los taludes Aunque el meacutetodo soacutelo satisface el
equilibrio de momentos se considera que los resultados son muy precisos
en comparacioacuten con el meacutetodo ordinario
Meacutetodo de
Janbuacute
El meacutetodo simplificado de Janbuacute se basa en la suposicioacuten de que las
fuerzas entre dovelas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de
cortante Janbuacute considera que las superficies de falla no necesariamente
son circulares y establece un factor de correccioacuten fo El factor fo depende
de la curvatura de la superficie de falla Estos factores de correccioacuten son
solamente aproximados y se basan en anaacutelisis de 30 a 40 casos
Meacutetodo de
Spencer
El meacutetodo de Spencer es un meacutetodo que satisface totalmente el equilibrio
tanto de momentos como de esfuerzos El procedimiento de Spencer
(1967) se basa en la suposicioacuten de que las fuerzas entre dovelas son
paralelas las unas con las otras o sea que tienen el mismo aacutengulo de
inclinacioacuten
Meacutetodo de
Morgenstern
y Price
El meacutetodo de Morgenstern y Price (1965) asume que existe una funcioacuten que
relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas Esta
funcioacuten puede considerarse constante como en el caso del meacutetodo de
Spencer o puede considerarse otro tipo de funcioacuten La posibilidad de
suponer una determinada funcioacuten para determinar los valores de las fuerzas
entre dovelas lo hace un meacutetodo maacutes riguroso que el de Spencer22
Adaptado de Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil
Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
22
Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-
Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
42
52 MARCO LEGAL
Para garantizar la viabilidad normativa del presente trabajo este se encuentra
acorde a los requisitos legales y normativos de la actualidad descritos en la tabla
8 Normatividad
Tabla 8 Normatividad
NORMA OBJETIVO
CE020 Estabilizacioacuten de
Suelos y de Taludes
Establecer las consideraciones teacutecnicas miacutenimas para el mejoramiento requerido de la resistencia de suelos y de la estabilidad de taludes
NSR 2010 Titulo H
Establecer criterios baacutesicos para realizar estudios geoteacutecnicos de edificaciones basados en la investigacioacuten del subsuelo y las caracteriacutesticas arquitectoacutenicas y estructurales de las edificaciones con el fin de proveer las recomendaciones geoteacutecnicas de disentildeo y construccioacuten de excavaciones y rellenos estructuras de contencioacuten cimentaciones rehabilitacioacuten o reforzamiento de edificaciones existentes y la definicioacuten de espectros de disentildeo sismo resistente para soportar los efectos por sismos y por otras amenazas geoteacutecnicas desfavorables
NSR 2010 Titulo A2
Establecer los valores de coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva para el disentildeo la cual se encuentra impliacutecita en la tabla A22 del cual se toma el valor 030 en una escala de 005 hasta 050 desde amenaza siacutesmica baja hasta amenaza siacutesmica alta lo que indica que para efecto de anaacutelisis y disentildeo de taludes se debe emplear la aceleracioacuten maacutexima del terreno en donde el coeficiente siacutesmico de disentildeo para anaacutelisis seudo estaacutetico de taludes KST tiene el valor inferior tomando asiacute el valor de 080 de suelos enrocados y macizos fracturados lo que implica ejecutar una operacioacuten matemaacutetica simple con el fin de obtener el valor de Aa adecuado para el disentildeo dinaacutemico del talud el cual es 025
Fuente Propia
43
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO
En este capiacutetulo se evidencia el enfoque que se expuso en el presente trabajo
dejando claras las caracteriacutesticas principales para el desarrollo de modelos que
presentan el factor de seguridad oacuteptimo en suelos expansivos
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN
El enfoque que se empleo es de caraacutecter cuantitativo y cualitativo ya que se tomoacute
como base de trabajo los estudios realizados en diferentes zonas compuestas por
suelos expansivos
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN
Cuenta con una investigacioacuten tipo analiacutetica ya que se desarrolloacute una matriz de
comparacioacuten entre paraacutemetros mecaacutenicos y geoteacutecnicos comunes en los suelos
expansivos en donde se buscoacute valores miacutenimos de factores de seguridad en
relacioacuten a paraacutemetros de resistencia condiciones geomeacutetricas y factores
naturales
63 DISENtildeO MUESTRAL
Para el trabajo se tiene en cuenta un talud con caracteriacutesticas geoteacutecnicas y
geomeacutetricas establecidas en donde ejecutoacute una comparacioacuten del comportamiento
del talud con respecto a valores de factor de seguridad para lo cual se realiza un
anaacutelisis de la poblacioacuten universo muestra individuo y variables descritas a
continuacioacuten
Poblacioacuten universo 631
La poblacioacuten universo de la investigacioacuten se basa en el anaacutelisis de taludes ya que
es el elemento maacutes grande del cual se tomoacute la muestra con el fin de ejecutar un
44
anaacutelisis de paraacutemetros geomecaacutenicos sobre el comportamiento de la presencia
de suelos expansivos frente a las variables correspondientes
Muestra 632
Consiste en 264 modelos ejecutados en SLIDEreg de donde se tienen en cuenta
valores de Ru= 00 025 y 05 con alturas de 10 m y 20 m aacutengulos de inclinacioacuten
de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm asiacute mismo se realizan 120 modelos adicionales en donde la
altura es de 10 m variando el valor de Ru=00 01 025 05 y aacutengulos de
inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm en donde se tiene en cuenta los paraacutemetros
geomecaacutenicos y geomeacutetricos para diferentes tipos de suelos expansivos
correspondientes
CH Arcilla de alta plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con alta
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
mayor de 50 tacto suave23
CL Arcilla de baja plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con baja
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
menor de 50 tacto suave24
MH Limo de alta plasticidad suelo de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse ante su esfuerzo mecaacutenico limite liquido menor de 50
tacto aacutespero25
23
El sistema unificado de clasificacioacuten de los suelos [en liacutenea]lt
ftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt [citado en 3 de noviembre del
2015]
24 Ibiacuted Cuadro 21
25 Ibiacuted Cuadro 21
45
Individuo 633
Taludes con presencia de suelos expansivos como arcilla de baja alta plasticidad
y limos de alta plasticidad en general
Variables 634
Caracteriacutesticas del suelo del talud humedad del suelo que conforma el talud
inclinacioacuten de talud aacutengulo de friccioacuten del suelo cohesioacuten nivel freaacutetico factor
de seguridad Tabla 9 Variables
Tabla 9 Variables
Fuente Propia
Se establece que para la medicioacuten de variables en el problema de investigacioacuten
del proyecto que se desarrolloacute el cual estaacute basado en el ANAacuteLISIS DE
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
EXPANSIVOS Los meacutetodos que se desarrollan en la estabilizacioacuten de taludes
son
VARIABLES
CUALITATIVAS Tipo de suelo CH CL y MH
CUANTITATIVAS
Humedad del suelo que conforma el talud ndash Nivel Freaacutetico
Inclinacioacuten de talud
Altura de talud
Angulo de friccioacuten
Cohesioacuten
Factor de seguridad
Sismo
46
Meacutetodo de Bishop simplicado a pesar de solo satisface el equilibrio de
momentos y no cumple con la totalidad de las ecuaciones de la estaacutetica
presenta exactitud frente a los resultados que se obtienen en comparacioacuten
con el meacutetodo ordinario de igual manera utiliza las dovelas teniendo en
cuenta las fuerzas entre las mismas y es uno de los maacutes utilizados para
calcular el factor de seguridad de los taludes la principal restriccioacuten del
meacutetodo es que solo considera las superficies circulares (Jaime
Suarez2002)
De igual manera se ejecuta el respectivo anaacutelisis por medio de Software Slidereg
en el cual se tienen en cuenta para los modelos los paraacutemetros descritos
anteriormente
Slidereg ya que es un programa con anaacutelisis de la filtracioacuten incorporando
elementos finitos y funciones que define directamente el usuario de esta
manera el estudio de sensibilidad permite determinar el efecto de las
variables en el factor de seguridad de un talud
64 FASES DEL PROYECTO
A traveacutes de las fases es posible identificar el orden cronoloacutegico en el que se
desarrolla el presente documento para cumplir el objetivo general que es analizar
el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos por
suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo que se
describen a continuacioacuten
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas
47
Actividad 1 Consultar en diferentes fuentes de informacioacuten definiciones de
los paraacutemetros geomecaacutenicos de suelos expansivos que seraacuten estudiados
Actividad 2 Investigacioacuten del subsuelo y conocimiento determinado de
suelos expansivos referenciando los meacutetodos de exploracioacuten
Actividad 3Identificacioacuten problemas que ocasionan estos materiales con
presencia taludes ante solicitaciones de gravedad infiltracioacuten sismo
escorrentiacutea y otros
Actividad 4 Recopilacioacuten de informacioacuten secundaria referente al
comportamiento de estos materiales
Actividad 5 Documentacioacuten de antecedentes referentes a deslizamientos y
amenazas que presente un talud compuesto por suelos expansivos
identificando coacutemo se estudian los deslizamientos y los problemas
geoteacutecnicos que se presentan en estos materiales
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 642
Actividad 1 Definicioacuten de los paraacutemetros a estudiar para la modelacioacuten en
taludes
Actividad 2 Elaboracioacuten de matriz para la definicioacuten del modelo
geoteacutecnico el desarrollo y respuesta del mismo
48
Actividad 3Realizar la instruccioacuten en programas de modelacioacuten para
estabilidad de taludes
Actividad 4 Modelacioacuten geoteacutecnica mediantes equilibrio liacutemite para las
diferentes condiciones de escenarios descritos en la matriz
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 643
Actividad 1Generacioacuten de graacuteficas de resultados de las modelaciones
para la revisioacuten del factor de seguridad
Actividad 2Anaacutelisis del comportamiento de los paraacutemetros geoteacutecnicos
definidos teniendo como base la modelacioacuten realizada en diferentes
escenarios
Actividad 3 Generacioacuten de graacuteficas finales de respuesta del
comportamiento de los paraacutemetros geomecaacutenicos
Actividad 4 Anaacutelisis de resultados respecto a la generacioacuten de graacuteficas
Actividad 6 Generacioacuten y redaccioacuten del documento final
Actividad 7 Generacioacuten de Articulo
49
7 DESARROLLO METODOLOacuteGICO
Por medio de la descripcioacuten detallada de conceptos se obtiene la identificacioacuten de
suelos expansivos a estudiar que como se menciona en el documento son
materiales compuestos por arcillas de alta y baja plasticidad y limos de alta
plasticidad en donde se identifica las caracteriacutesticas mecaacutenicas geoteacutecnicas
fiacutesicas que son claves al momento del anaacutelisis de cada uno de los modelos a
ejecutar en el software Slidereg con el fin de conocer el comportamiento de los
suelos en mencioacuten cuando se tienen variables de sismo nivel freaacutetico y
geometriacutea correspondiente a diferentes aacutengulos de inclinacioacuten 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
y una altura de 10 m 20 m y variaciones con respecto al paraacutemetro Ru de 00
01 025 04 05 en condiciones estaacutetica y dinaacutemica
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS
Se realiza una descripcioacuten detallada acerca de los suelos expansivos que
conforman un talud de los cuales se analiza el factor de seguridad como lo son
arcillas de baja y alta plasticidad y limos de alta plasticidad donde se identifican
las caracteriacutesticas que componen cada uno de estos suelos y la diferencia de los
mismos para su respectiva identificacioacuten descritos en la tabla 10 Descripcioacuten de
suelos expansivos
50
CH CL ML
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGAacuteNICO DE BAJA PLASTICIDAD
Arcillas inorgaacutenicas de alta plasticidad arcillas
grasas
Arcillas inorgaacutenicas de plasticidad baja a mediana
arcillas gravosas arcillas arenosas arcillas limosas
arcillas magras
Limos inorgaacutenicos y arenas muy finas harina de
roca arenas finas limosas o arcillosas o limos
arcillosos de ligera plasticidad
Suelo de grano fino
Diaacutemetro de las partiacuteculas comprendido entre
005 mm y 0005 mm
Color variacutea desde gris claro a muy oscuro
No suelen tener propiedades colidales
A partir de 0002 mm y a medida que
aumenta el tamantildeo de las partiacuteculas se
va haciendo cada vez mayor la
proporcioacuten de minerales no arcillosos
Partiacuteculas forma redondeada
Tacto aacutespero
Mayor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de masa
Se secan con relativa rapidez y no se
pegan a los dedos
Los terrones secos tienen una cohesioacuten
apreciable pero se pueden reducir a
Pueden ser colapsables
Fuerte olor a tierra Ligero olor a tierra Olor no caracteriacutestico a menudo ninguno
Consistencia alta Menor consistencia que las CH Consistencia baja
Estructura blanda Estructura menos blanda que las CH Estructura blanda
Alta capacidad de deformarse sin agrietarse ante
un esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten
al retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse ante un
esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten al
retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse
ante un esfuerzo mecaacutenico conservando la
deformacioacuten al retirarse la carga
Plaacutesticos Plaacutesticos Ligeramente plaacutesticos
Liacutemite liquido mayor de 50 arcillas de alta
contraccioacuten-dilatacioacuten Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos
Los terrones secos se pueden partir
pero no reducir a polvo con los dedos
No son colapsables
Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosos
Partiacuteculas forma laminar
Tacto suave
Menor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de
superficie
GRAacuteFICO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS DE GRANO FINO
SUELOS EXPANSIVOS
Son suelos que al ser humedecidos sufren una expansioacuten que pone en peligro a las estructuras cimentadas sobre ellos
Su comportamieno se caracteriza principalmente por
- La contraccioacuten debido al secado
- La expansioacuten al humedeserce
- Desarrollo de presiones de expansioacuten cuando estaacute confinado y no puede expandirse
Suelen tener propiedades colidales
Suelo de grano fino suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio
hidratados procedentes de la descomposicioacuten de rocas que contienen feldespato como el granito
Diaacutemetro menor de 0005 mm
Presenta diversas coloraciones seguacuten las impurezas que contiene desde el rojo anaranjado hasta el
blanco cuando es pura
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos
Fuente Adaptado de
[En liacutenea] ltftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt[citado en 15 de
octubre del 2015]
[En liacutenea] lt httpesslidesharenetfrkfirtinsuelos-expansivosgt[citado en 15 de octubre del 2015]
[En liacutenea] lthttpwwwfceiaunreduargeologiaygeotecniaDiferenciasgt[citado en 15 de octubre del 2015
51
UNIDAD SUELO-1 SUELO-2 SUELO-3
71 63 43
32 37 24
39 26 19
31 26 23
KNm3 132 139 146
KNm3 141 146 151
24 22 20
CH MH CL
CONTENIDO INICIAL DEL AGUA
CLASIFICACIOacuteN DEL SUELO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
LIMITE DE CONSISTENCIA
COMPACTACIOacuteN
OPTIMO CONTENIDO DE AGUA
DENSIDAD LIBRE MAacuteXIMA
PROPIEDADES FISICAS INALTERADAS DE LA MUESTRA DE SUELO
DENSIDAD LIBRE INICIAL
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLAacuteSTICO
INDICE PLAacuteSTICO
PROPIEDADES
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH
Es necesario conocer las propiedades fiacutesicas de los suelos descrita en la tabla
11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos ya que de estas depende el
comportamiento mecaacutenico que lo mismos presentan ante factores intriacutensecos y
extriacutensecos como los son lluvia y sismo siendo estos importantes al momento de
observar el proceso de remocioacuten en masa de un talud cuando se afecta por estos
factores
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A traveacutes del estudio realizado en el libro expansive Soils se obtienen este tipo de
propiedades fiacutesicas de los materiales que en el presente proyecto se desarrollan
descritos en la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos en el
estudio ejecutado se describe sobre los avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento en suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
52
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar los inconvenientes que la presencia de estos
puedan generar en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada
por la expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten o
dilatacioacuten que presentan debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel
freaacutetico
Por lo tanto el limite liacutequido que presentan los tipos de suelos analizados es para
un CH de 71 MH de 63 y CL de 43 lo que indica que este es el porcentaje
en el que cada uno de estos suelos pasa de un estado liacutequido a uno plaacutestico Es
asiacute como se observa que existe maacutes probabilidad de que ocurra este fenoacutemeno
con la arcilla de alta plasticidad
Con respecto al liacutemite plaacutestico se observan valores obtenidos para un CH 32
MH 37 y 24 que es cuando el suelo pasa de un estado semisoacutelido a uno
plaacutestico siendo mayor para el limo de alta plasticidad
De tal manera que se observa el Iacutendice de plasticidad bajo como por ejemplo del
19 para una arcilla de baja plasticidad la cual significa que un pequentildeo
incremento en el con tenido de humedad del suelo lo transforma de semisoacutelido a
la condicioacuten de liacutequido es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad
Por el contrario un iacutendice de plasticidad alto como por ejemplo del 39
perteneciente a la arcilla de alta plasticidad indica que para que el suelo pase del
estado semisoacutelido al liacutequido se le debe agregar gran cantidad de agua26
Tambieacuten se obtiene el contenido oacuteptimo de agua el cual permite la obtencioacuten de la
26
Liacutemites de Atterberg Iacutendice de Plasticidad Fluidez Retraccioacuten [en liacutenea]lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
53
densidad maacutexima mediante la compactacioacuten que seguacuten tabla 11 Es 31 para un
CH 26 para el MH y 23 para el CL Siendo este valor inversamente
proporcional a la densidad libre maacutexima debido a que entre mayor es el oacuteptimo
contenido de agua menor es la densidad maacutexima
De esta manera se obtienen las propiedades fiacutesicas de los suelos estudiados
haciendo la respectiva clasificacioacuten de los materiales correspondientes a suelos
expansivos
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS
Con el fin de lograr la identificacioacuten de cada uno de los materiales se seleccionan
los paraacutemetros geomecaacutenicos siendo los mismos importantes pues de estos
depende el comportamiento y el valor de factor de seguridad del talud cuando se
relacionan con paraacutemetros geomeacutetricos y de Ru ante factores estaacuteticos y
dinaacutemicos que se describen en los siguientes numerales a partir del 731
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 731
La seleccioacuten de paraacutemetros a raiacutez de la investigacioacuten realizada se consolidoacute
teniendo en cuenta los siguientes datos bibliograacuteficos
En el libro Expansive Soil se observa la descripcioacuten de un estudio donde se
evaluacutea la presioacuten de hinchamiento del suelo el potencial de hinchamiento y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada de muestras alteradas e inalteradas de
suelos expansivos De donde se describen tres tipos de suelos seleccionados de
la parte norte de Jordania con una amplia gama de contenido de arcilla
caracterizando las propiedades fiacutesicas de estos suelos como la gradacioacuten el
liacutemite plaacutestico y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco
54
maacuteximo y el contenido oacuteptimo de agua de donde se tienen en cuenta las normas
ASTM para consolidar los resultados en la Tabla 11 del presente documento
Razoacuten por la cual se toman valores de peso especiacutefico para MH CH y CL ya que
el estudio que se explicoacute anteriormente estuvo basado en muestras de suelos
inalteradas en zonas altamente arcillosas con caracteriacutesticas similares a las que
se analizan
Otro de los estudios realizados en el libro de Expansive Soils trata de una serie
completa de pruebas de la compresioacuten inconfinada (UC) no consolidado no
drenado (UU) triaxiales y columna resonante (RC) en donde se realizan sobre
muestras estabilizadas quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del
sureste de Arlington Texas despueacutes de haber sido sometido a ciclos repetitivos
de humectacioacuten-secado (WD) inducido artificialmente en el laboratorio Se
utilizan los resultados para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo
plazo la rigidez y unidimensional (1-D) hinchazoacuten y contraccioacuten como respuesta
del suelo tratado incluyendo la resistencia a la compresioacuten inconfinada
paraacutemetros de resistencia al corte sin drenaje moacutedulo de corte dinaacutemico y
material de amortiguacioacuten
Los Meacutetodos de estabilizacioacuten incluyen sulfato resistente cemento Tipo V bajo en
calcio clase F de ceniza volaacutetil cal viva y se mezcla con fibras de polipropileno
Dichas muestras de suelo tratadas se curaron durante 7 diacuteas y despueacutes se
sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la prueba UC UU y RCl Un
ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua potable en la sala
de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a 140 degF En cambio
las caacutemaras wd permiten el monitoreo de 1-D expansioacuten-contraccioacuten que brinda
respuesta durante wd repetido Una dosis por peso 10 de cemento Tipo V
parece dar mejor rendimiento general bajo wd ciacuteclico
55
Es de esta manera como se busca resumir los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados descritos en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
natural antes de ser tratado En la misma tabla indicada pero en la fuente
bibliograacutefica se presentan los demaacutes resultados como resumen de los paraacutemetros
de resistencia al cortante (c-ɸ) obtenidos de ensayos triaxiales UU que en este
caso se omitieron debido a que nuestro estudio estaacute basado en suelos expansivos
sin tratar
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no
drenado Suelo natural antes de ser tratado
Nuacutemero de
ciclos w-d C (psi) C (KPa)
de
cambio
ɸ
(deg)
de
cambio
Suelo
Natural
0 68 469 00 06 00
1 65 449 - 44 06 00
2 67 462 - 15 06 00
4 63 435 - 74 06 00
8 69 476 + 15 06 00
16 69 473 + 07 06 00
32 69 476 + 15 06 00
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 129 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681
Los valores que se encuentran resaltados en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
56
natural antes de ser tratado fueron utilizados en el trabajo para los paraacutemetros del
material arcilla de alta plasticidad (CH)
A continuacioacuten se presentan las figuras correspondientes a los efectos del
contenido inicial de agua en la presioacuten por hinchamiento para obtener los valores
de cohesioacuten en cada uno de los tipos de suelos estudiados para ello se tiene en
cuenta las propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos resumidos en la tabla
11 donde se especifica el contenido inicial () del agua asiacute CH 24 MH 22 y CL
20 valores con los que se ingresa en el eje vertical para las figuras
correspondientes al suelo compuesto por limo de alta plasticidad y arcilla de baja
plasticidad analizado en condiciones estaacuteticas (la condicioacuten dinaacutemica se tendraacute
en cuenta en el proceso de modelacioacuten)
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH
Tomado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 134 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
57
A partir de la figura 3 se obtiene un valor de
y a su
vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla
inorgaacutenica de alta plasticidad
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para CL
Tomado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 135 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A partir de la figura 4 se obtiene un valor de
y a su vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla inorgaacutenica de alta
plasticidad
En la investigacioacuten se encuentran diferentes paraacutemetros para distintos tipos de
suelos de los cuales se analiza y compara con la fuente del libro de Expansive
58
Soils seleccionando los apropiados para ejecutar la modelacioacuten en el software
Slidereg en la Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos en el cual se
evidencian valores comparados con la fuente confiable del libro
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Consistencia
Angulo de friccioacuten
interna
ɸ en grados
Peso
especiacutefico
Kgcm2
Arena gruesa
o arena con
grava
Compacta 40 2250
Suelta 35 1450
Arena media Compacta 40 2080
Suelta 30 1450
Arena limosa
fina o limo
arenoso
Compacta 30 2080
Suelta 25 1365
Limo uniforme Compacta 30 2160
Suelta 25 1365
Arcilla-limo Suave a
mediana 20 1440-1920
Arcilla limosa Suave a
mediana 15 1440-1920
Arcilla Suave a
mediana 01 1440-1920
Fuente Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos [En liacutenea] lt httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-
diferentes-propiedades-de-los-suelosgt [citado en 11 de noviembre del 2015]
59
7311 Paraacutemetros para limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Este tipo de materiales cuentan con suelos de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse antes los esfuerzos mecaacutenicos contando con un liacutemite
liquido menor de 50 Los paraacutemetros para este material se establecen en la tabla
13 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
LIMO INORGAacuteNICO DE ALTA PLASTICIDAD
(MH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 15 146
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se toman de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten correspondiente al efecto del contenido de agua inicial en la
presioacuten de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para MH En
donde se observa la seleccioacuten del paraacutemetro en la graacutefica 3 El efecto del
contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH Ingresando en el eje horizontal con el contenido inicial
del agua descrito en la tabla No 11 Propiedades Fiacutesicas de los suelos
expansivos en la cual se describe un contenido de agua inicial de 22
que para condicioacuten estaacutetica es de 140 Kpa como presioacuten de hinchamiento
60
que permite obtener el valor de la cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten los datos obtenidos de la web ingeniero civil
denominada Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten de la tabla 13
Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos que se encuentra en un blog
peruano creado en agosto de 2010 por John J Rojas se identifica como
un portal que dedica a compartir y difundir temas relacionados con la
ingenieriacutea civil desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico Se describe en el paacuterrafo introductorio del numeral 73 de
seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos y es tomado de la tabla 11
Propiedades fiacutesicas de los suelos
7312 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
La arcilla de alta plasticidad pertenece a suelos inorgaacutenicos de grano muy fino
con baja capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico su
liacutemite liacutequido es mayor a 50 presentando asiacute los paraacutemetros geomecaacutenicos a
continuacioacuten para el respectivo material descrito en la tabla 15 Paraacutemetros
geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
61
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA
PLASTICIDAD
(CH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
469 06 141
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se tomaron de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten se encuentran resumidos los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados el anaacutelisis es efectivo por que el suelo se
presenta en estado natural En la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al
corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural
antes de ser tratado
Aacutengulo de friccioacuten tomado para el suelo natural sin ninguacuten tipo de
estabilizacioacuten ni alteracioacuten en el contenido del mismo basada en las
condiciones iniciales de suelos expansivos despueacutes de haber sido sometida
dicha muestra a ciclos repetitivos de humectacioacuten-secado (WD) inducido
artificialmente en el laboratorio para identificar el comportamiento del mismo
en cuanto a la resistencia al cortante donde el aacutengulo de friccioacuten interna
determina su comportamiento junto con la cohesioacuten resumidas dichas
62
Condiciones en la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para
ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural antes de ser
tratado
Peso especiacutefico este valor se encuentra descrito en el paacuterrafo introductorio
de seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos Tabla 11 Paraacutemetros fiacutesicos de
los suelos expansivos
7313 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
La arcilla de baja plasticidad hace parte de los suelos inorgaacutenicos de grano muy
fino con baja capacidad de deformacioacuten sin sufrir de grietas ente un esfuerzo
mecaacutenico el liacutemite liquido es menor a 50 de esta manera en la tabla 16
Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) se
describen los paraacutemetros a considerar para la modelacioacuten ejecutada
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA
PLASTICIDAD
(CL)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 01 151
Fuente propia
63
Los paraacutemetros relacionados se toman de distintas fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten corresponde al efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten
de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para CL Ingresando en
el eje horizontal con el contenido inicial del agua descrito en la tabla 11
Propiedades Fiacutesicas de los suelos expansivos se describe un contenido de
agua inicial de 20 que para condicioacuten estaacutetica muestra un valor de 140
Kpa como presioacuten de hinchamiento que permite obtener el valor de la
cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten Se obtiene de la web del ingeniero civil denominada
Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten un blog peruano creado en
agosto de 2010 por John J Rojas descrito en la tabla 13 Paraacutemetros de
diferentes tipos de suelos en donde se tiene en cuenta el portal que se
dedica a compartir y difundir temas relacionados con la ingenieriacutea civil
desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico descrito en el paacuterrafo introductorio de seleccioacuten de
paraacutemetros geomecaacutenicos de la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos
expansivos
64
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 732
Para la seleccioacuten del valor cuando hay presencia de sismo en la modelacioacuten del
talud se tiene en cuenta la norma NSR-10 TITULO A de donde se selecciona el
valor del coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva el cual
se determina en su maacuteximo valor de amenaza siacutesmica igual a 030 descrito en la
Tabla A23-1 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y de Av descrito en la
figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y Av
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo A Capitulo A2 Zona de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de
disentildeo
El valor que se selecciona en el paacuterrafo anterior para una amenaza siacutesmica alta
se multiplica por el coeficiente Kst que se utiliza para el anaacutelisis y disentildeo de
taludes en donde se debe incluir la aceleracioacuten maacutexima del terreno teniendo en
cuenta el tipo de material terreo que se manejaraacute en el presente proyecto Tomado
de la tabla H52-1 de la norma sismo resistente Observado en la figura 6
Valores de Kst A max
65
Figura 6Valores de Kst A max
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5Excavaciones y estabilidad de taludes
Seleccionando el valor que pertenece a suelos enrocados y macizos muy
rocosos con un Kst de 080 ya que no se ejecutoacute ninguacuten anaacutelisis de amplificacioacuten
en los suelos expansivos de estudio
El valor se aproxima de 024 a 025 como coeficiente de aceleracioacuten de amenaza
siacutesmica en el disentildeo de los taludes en el software Slide reg
De tal manera que para el anaacutelisis de factor de seguridad de los taludes se tiene
en cuenta el capiacutetulo H en donde se especifican los valores maacuteximos para que el
talud se encuentre en amenaza por un fenoacutemeno de remocioacuten en masa El cual se
puede observar el la figura 7Factores de seguridad indirectos miacutenimos
66
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5 Excavaciones y estabilidad de taludes
7321 Paraacutemetro de presioacuten de poros Ru
Teniendo en cuenta que el Ru es una relacioacuten de poros y esfuerzo vertical se
seleccionan valores de 00 01 025 04 y 05 en donde a medida que aumenta
dicho valor indica el nivel de agua contenido en el suelo del talud para el valor
00 el suelo se encuentra de estado natural-huacutemedo en 025 es un nivel de agua
medio en el talud y 05 talud saturado
67
Paraacutemetros geomeacutetricos 733
En la etapa de recoleccioacuten de datos se investigaron tesis relacionadas con el tema
de donde se tuvo en cuenta el documento desarrollado sobre Influencia Del
Abatimiento Del Nivel Freaacutetico En El Caacutelculo del Factor De Seguridad Para La
Estabilidad De Taludes realizado por el Ingeniero Leonardo Leuro Antildeo
2015Universidad La Gran Colombia
Para lo cual se seleccionan diferentes alturas en la geometriacutea del talud y aacutengulos
de inclinacioacuten estudiados en el proyecto descrito anteriormente los cuales fueron
Aacutengulos 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Alturas de talud de 10 m y 20 m
74 DESARROLLO DEL MODELO
A traveacutes de los paraacutemetros geomecanicos y geomeacutetricos anteriormente descritos
se disentildean taludes con diferentes condiciones con el fin de lograr un anaacutelisis
completo de lo que se presenta en campo descrito en la tabla 17 Matriz de
disentildeo
68
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
Fuente propia
De la cual se generan los modelos teniendo en cuenta los diferentes aacutengulos y
alturas en estado dinaacutemico y estaacutetico para diferentes valores de Ru de donde se
obtienen valores de factor de seguridad para el material de Arcilla de alta
plasticidad limo de alta plasticidad y arcilla de baja plasticidad en el cual se
evidencian los paraacutemetros geomecaacutenicos descritos a partir del numeral 73
Paraacutemetros geomecaacutenicos del presente documento
000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447 2416 2184 1937 1471 1307 1139 1468 1466 1465 0909 0907 0906
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670 1575 1365 1146 0993 0851 0705 0733 0731 0729 0492 0490 0489
10 1991 1983 1975 1404 1398 1392 2007 1817 1624 1380 1246 1111 1377 1376 1374 0882 0881 0880
20 1008 1000 0991 0677 0670 0664 1246 1073 0902 0887 0756 0626 0689 0687 0686 0466 0464 0463
10 1810 1804 1798 1345 1340 1336 1654 1479 1319 1248 1131 1015 1251 1250 1248 0868 0867 0866
20 0958 0951 0945 0649 0644 0638 1011 0858 0705 0763 0646 0527 0623 0622 0621 0460 0459 0458
10 1548 1542 1536 1242 1238 1233 1306 1141 0981 1107 0988 0858 1069 1068 1067 0831 0830 0830
20 0779 0773 0767 0587 0582 0578 0797 0640 0485 0648 0534 0406 0536 0535 0534 0403 0402 0402
30
45
60
75
RuALTURAANGULO
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
Ru Ru
0
Ru
025
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
C (KNM2) φ γ(KNM2)
35 15 146
Ru Ru
C (KNM2) φ γ(KNM2)
CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
35 01 151
69
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 741
Se realiza el disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en
condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 0 en
donde se indica una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Que se
observa en la figura 8Modelo en Slidereg para un CH de donde se obtiene el valor
de factor de seguridad que se muestra en la figura 9 Factor de seguridad CH
estaacutetico
Figura 8 Modelo en slide para un CH
Fuente Propia
70
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico
Fuente Propia
De esta manera se realiza este procedimiento para los materiales de MH Limo de
alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
Se lleva acabo el disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de aacutengulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico brindando asiacute un
factor de seguridad que se muestra en la figura 11 Factor de seguridad para MH
estaacutetico
71
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad para dicho modelo descrito en la
figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Fuente propia
72
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12Modelo de Slidereg para un CL estaacutetico
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad del talud que se observa en la figura
13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Fuente propia
73
En el proceso de modelacioacuten se incluye la condicioacuten de sismicidad en donde en el
Software SLIDEreg se agrega en LOADING seismic load y se coloca el valor de
025 como coeficiente de amenaza siacutesmica Aa
De esta manera se tiene en cuenta la condicioacuten dinaacutemica la cual se realiza en el
disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 para una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Observado en la figura
14Modelo en Slide para un CH dinaacutemico
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico
Fuente Propia
74
Del anterior disentildeo se logra obtener el factor de seguridad que se observa en la
figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Fuente Propia
Es asiacute como se lleva a cabo este procedimiento para los materiales de MH Limo
de alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
El disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 con una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se observa en la figura
16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
75
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad observado en la figura 17 Factor de
seguridad para MH dinaacutemico
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico
Fuente propia
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 0 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 025 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12 Modelo de Slide para un CL estaacutetico el cual se observa
76
en la Figura 18 Modelo de Slide para un CL dinaacutemico
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad del talud en condicioacuten de sismo visto
en la figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Fuente propia
77
De esta manera se modifican en el modelo los valores de Ru=0 025 y 05 y las
alturas de 10m y 20m con aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
relacionaacutendolos entre siacute obteniendo el factor de seguridad para condiciones
estaacuteticas en 144 modelos en condiciones estaacuteticas y dinaacutemicas En la segunda
modelacioacuten se realiza el mismo procedimiento con 120 modelos incluyendo
valores de Ru= 01 y 04 con una altura especifica de 10 metros para diferentes
aacutengulos
De donde se obtiene como resultado la matriz de factores de seguridad que se
muestra en la tabla 17 Valores de factor de seguridad
Tabla 17Valores de factor de seguridad
Fuente propia
De estos resultados se efectuacutea el anaacutelisis de graacuteficas que se observa en el
numeral 8anaacutelisis de resultados comparando el factor de seguridad vs el aacutengulo
para diferentes alturas del talud con presencia de CH MH y CL en
condiciones dinaacutemicas y estaacuteticas como se muestra en la figura 20 Comparacioacuten
de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para Ru=00
CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670
0
Ru
025
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
30
RuALTURAANGULO
78
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten
estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
Fuente propia
De esta manera para los 120 modelos donde los Ru= 00 01 025 04 y 05 con
una altura de 10 metros y aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75 ordm se
elaboran las graacuteficas en Excel con el fin de hacer una comparacioacuten de cada uno
de los aacutengulos con respecto al valor de factor de seguridad vs ru en estado
dinaacutemico y estaacutetico que se muestra en la Figura 21 Graacutefica Factor de seguridad
Vs Ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y altura de 10 m en CH
MH y CL de esta manera se estudian los comportamientos respectivamente en el
iacutetem 8anaacutelisis de resultados
79
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente propia
Con el fin de obtener la cohesioacuten a la que un talud compuesto por suelos
expansivos con aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm a una altura de 10 metros cumple
con los factores de seguridad expuestos en el numeral 732 Seleccioacuten de valores
de sismo y ru en estado estaacutetico y dinaacutemico se ejecuta una sensibilizacioacuten del
paraacutemetro cohesioacuten para los diferentes modelos modificando asiacute el valor de ru
en 00 01 025 04 y 05 siendo 00 la condicioacuten seca o en estado natural del
suelo 025 condicioacuten intermedia de nivel de agua en el talud y 05 condicioacuten de
saturacioacuten mientras que 01 y 04 son valores intermedios
Se realiza el siguiente procedimiento con cada uno de los modelos en donde se
encuentra una modificacioacuten de la geometriacutea (aacutengulo) el valor ru y su condicioacuten
estaacutetica o dinaacutemica
80
1 Se toma como ejemplo el modelo de talud para10 metros con un aacutengulo
de 30ordm con material de arcilla de alta plasticidad se verifica que se
encuentre la seleccioacuten en anaacutelisis Project settings statistics y se
selecciona sensitivity analysis Como se muestra en la figura 22
Sensitividad de paraacutemetros
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros
Fuente propia
2 Se seleccionan las variables y se escriben los valores de cohesioacuten que en
este caso son de 469 knm2 para CH 35 knm2 para CL y 35 knm2 para
MH en cada uno de los modelos correspondientes a cada material y con
su respectiva geometriacutea determinando los rangos de las variables que en
este caso se manejan 20 por encima y por debajo para el CH y 30 por
encima y por debajo para el CL y MH como se muestra en la figura 23
Rangos de variables
81
Figura 23 Rangos de variables
Fuente propia
3 Se corre el modelo con el fin de obtener la falla que presenta el talud y
cuando se obtiene se da clic en statistics sensitivity analysis plot se
selecciona cohesioacuten y el meacutetodo que para este caso es bishop y se da clic
en plot de donde se obtiene la graacutefica factor de seguridad vs cohesioacuten Que
se muestra en la figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud
compuesto por CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
82
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con altura de
10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
Fuente propia
4 La figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por
CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm se exporta a Excel y
se realiza el mismo procedimiento para los aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
para cada uno de los materiales CH MH y CL de donde se modifica la
condicioacuten de ru y de estaacutetico a dinaacutemico de donde se obtienen las graacuteficas
correspondientes a cada uno de los aacutengulos por cada material Como se
muestra en la figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH CL y
MH con altura de 10 m con ru=00 01025 04 y 05 en condicioacuten
estaacutetica y seudo-estaacutetica
83
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con ru=00 en
condicioacuten estaacutetica
Fuente propia
5 Al obtener las graacuteficas para CH MH y CL con condiciones de ru=00 01
025 04 y 05 se traza un liacutenea horizontal en el valor de 15 para condicioacuten
estaacutetica y en 105 para condicioacuten dinaacutemica que se describen en la tabla
7Factores de seguridad indirectos miacutenimos tomados de la NSR-10 y una
liacutenea vertical que intersecta con la liacutenea horizontal con las pendientes
correspondientes a cada uno de los valores de factor de seguridad vs
cohesioacuten que se realiza para cada aacutengulo encontrando asiacute el valor de
cohesioacuten de tal manera que los mismos indican que para las condiciones
geomeacutetricas descritas los valores de cohesioacuten que se muestran en el
anexo 4 Valores de cohesioacuten para suelos expansivos cuando se tiene un
84
valor menor al mostrado en la tabla los valores de factor de seguridad no
cumplen y es necesario realizar una modificacioacuten en el talud con el fin de
obtener estabilidad en la estructura El procedimiento para la obtencioacuten del
valor de cohesioacuten se realiza como se muestra en la figura 26 Valor de
cohesioacuten para un CH con ru=00 en condicioacuten estaacutetica para aacutengulos de
30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y 05 en
condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
85
86
87
88
89
Fuente propia
6 A traveacutes de este proceso se obtienen los resultados que se muestran en el
anexo 4Valores de cohesioacuten para suelos expansivos
90
8 ANALISIS DE RESULTADOS
A continuacioacuten se presentan los resultados y anaacutelisis de comportamiento de los
taludes compuestos por suelos expansivos Dichos resultados se asocian al valor
de factor de seguridad de los modelos disentildeados en el software Slidereg de
acuerdo a paraacutemetros geomecaacutenicos descritos en el titulo 73 Seleccioacuten de
paraacutemetros encontrados en el libro Expansive Soils de Amer Ali Al-Rawas amp
Mattheus FA Goosen de tal manera que los resultados se asocian a diferentes
condiciones como los son dinaacutemicos y estaacuteticos y cambios en el valor de ru con
respecto a alturas de 10 metros y 20 metros
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=0 en
CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 27 se analiza un comportamiento la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten en un 28 para estado
estaacutetico dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
91
expansivos siendo evidente que la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) tanto
para la altura de 10m como para la de 20m presenta un porcentaje de reduccioacuten
136 y 212 en comparacioacuten a los demaacutes tipos de suelos expansivos debido
a que tiene menor consistencia
Por lo tanto el limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor
aacutengulo de inclinacioacuten muestra un factor de reduccioacuten de 59 sin embargo su
factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada
a medida que aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas es menor
al aumentar la inclinacioacuten del talud FS disminuyendo de manera leve
En la graacutefica se evidencia que cerca de los 60deg de inclinacioacuten del talud para una
altura de 20 m MH y CH se comportan de manera similar con un factor de
seguridad de 101 y 096 equivalente al 55 respectivamente lo que indica
inestabilidad seguacuten la norma NSR-10 Tiacutetulo H Tabla H69-1 donde se especifica
que la estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetico debe ser
de 150 Mientras que en un talud de 10 m cerca de los 45deg de inclinacioacuten tanto el
MH como el CH presentan un comportamiento similar con un factor de seguridad
de 2 cumpliendo el factor miacutenimo que rige la Norma NSR-10
Al observar en la graacutefica la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) en un talud
de 20 m a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten presenta inestabilidad auacuten en condicioacuten
estaacutetica y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru
Finalmente en condiciones estaacuteticas y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru el material
oacuteptimo es CH solo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier
inclinacioacuten muestra estabilidad con un factor de reduccioacuten del 28 Cumpliendo
con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
92
Es asiacute como es preciso aclarar que en cualquier caso el FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 28 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y el paraacutemetro ru dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un talud de altura de 20m
cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 correspondiente a
150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo representa con
paraacutemetro ru el cual afecta de manera directa al talud
Uno de los factores de gran importancia es la geometriacutea que representa el talud
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
93
debido a que para un talud de 10 m hasta 20 metros el factor de reduccioacuten oscila
entre el 40 al 60
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo su factor de seguridad
disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada a medida que
aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas (C) es menor al
aumentar la inclinacioacuten del talud el FS disminuye de manera leve Este
comportamiento continua siendo caracteriacutestico de este material pues al ser
comparado con la Figura 27 el material es inadecuado no solo al aumentar la
inclinacioacuten sino tambieacuten a la presencia de agua en el suelo
En la graacutefica se puede evidenciar que cerca de los 50deg de inclinacioacuten para una
altura de 20 m MH y CH se comportan con un valor de 17 de manera diferente
quiere decir que su porcentaje restante su comportamiento es igual Sin llegar a
cumplir con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de 10 m
cerca de los 30deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CH presentan un
comportamiento similar cumpliendo con FS=21
Finalmente en condiciones estaacuteticas y con ru=025 el material oacuteptimo es CH
soacutelo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra
estabilidad modificado con el 28 de probabilidad Cumpliendo con el valor
miacutenimo establecido en la NSR-10
Entonces es preciso aclarar que en cualquier caso FS inversamente proporcional
al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
94
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 29 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y en condicioacuten criacutetica de saturacioacuten con ru=05
dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un
talud de altura de 20m cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-
10 correspondiente a 150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo
afecta de manera directa al talud y al comportamiento mecaacutenico del suelo
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 ESTAgraveTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
95
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material genera
condiciones inadecuadas no solo al aumentar la inclinacioacuten sino tambieacuten a la
presencia de agua en el suelo En donde se evidencia que para un CH con
presencia de ru= 00 hasta ru=05 su factor de reduccioacuten se ve modificado en un
1 mientras que para MH da un valor de 1982 y para un CL de 01
Cabe resaltar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para una altura de 20 m MH y
CH se comportan de manera similar con un FS=100 lo que indica estabilidad
pero no cumple con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de
10 m cerca de los 70deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CL presentan un
comportamiento similar con FS=125 A partir de eacuteste uacuteltimo anaacutelisis es importante
aclarar que el MH ya no se relaciona con el comportamiento del CH sino del CL
Finalmente en condiciones estaacuteticas y condicioacuten criacutetica de ru=05 el material
oacuteptimo sigue siendo CH como en los casos anteriores pero solo en un talud de
10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con factores
de reduccioacuten que no cambian bruscamente si no que oscilan entre el valor de
338 hasta 332 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo lo descrito anteriormente indica que en cualquier caso se analiza que el
FS es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
96
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=000
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 30 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
dinaacutemica con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica de 025 descrito en la
seleccioacuten de valores de sismo (iacutetem 732) del presente proyecto ninguno de los
materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m de
altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo afecta de
manera directa al talud
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
97
El MH es el material que a menor aacutengulo de inclinacioacuten de 51ordm en condiciones
dinaacutemicas muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material presenta
comportamientos mecaacutenicos deacutebiles no solo al aumentar la inclinacioacuten sino
tambieacuten a la presencia de un sismo lo cual se evidencia en el 187 con ru=00
y se evidencia en ru=05 con un porcentaje de 669
De tal manera se evidencia que a los 45deg de inclinacioacuten para el MH en un talud
de altura de 20 m y un CL con un talud de 10 m de altura se comportan de
manera similar comparaacutendolo con una diferencia del 08 de tal manera que a
pesar de sus diferencias dichos factores le generan inestabilidad a el talud Por
lo tanto para un aacutengulo de inclinacioacuten de 30deg y una altura 10 m su inferencia con
respecto al factor de seguridad es del 1 cumpliendo asiacute para los valores
descritos en la matriz de resultados con la NSR-10
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo sigue siendo CH como
en los casos anteriores ya que cumple con el 313 pero solo en taludes de 10
m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre
1242 y 146 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo ello indica que en cualquier caso se analiza que FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura aun en condiciones dinaacutemicas
98
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 31 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales que se analizan en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de
10 m de altura cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo y de agua en el
suelo afecta de manera directa al talud teniendo en cuenta que el factor de
reduccioacuten para un CH es de 505 en condiciones de 75ordm de inclinacioacuten
mientras que para MH es mayor pues es de 628 y para el CL de 504
De esta manera se observa que a los 60deg de inclinacioacuten para el MH y el CL en un
talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un factor de
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
99
reduccioacuten de 256 lo que indica inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta
para todos los materiales en un talud de 20 m de altura y en una altura de 10 m
para los CL
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo continuacutea siendo CH
como en los casos anteriores pero solo en un talud de 10 m de altura puesto que
frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre 1238 y
1454 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10 Sin embargo el
MH tambieacuten se comporta de manera adecuada hasta inclinaciones de 60deg puesto
que bajo estas condiciones presenta FS entre 1131 y 1307
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 32 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
100
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m
de altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 esto se
debe a que la presencia de sismo y de agua en el suelo afecta de manera directa
al talud siendo el factor de reduccioacuten para las arcillas cercano al 1 mientras que
para los limos da superior al 20
Es asiacute como se puede observar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para el MH y
el CL en un talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un
porcentaje igual de 447 lo que con lleva a que el comportamiento mecaacutenico del
suelo no es igual y genera inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta para
todos los materiales en un talud de 20 m de altura y el CL en una altura de 10 m
En condiciones dinaacutemicas el material con las mejores caracteriacutesticas se suelo es
el CH como en todos los casos mencionados anteriormente pero solo en un talud
de 10 m de altura puesto que frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra
estabilidad con FS entre 1233 y 1447 Sin embargo el MH tambieacuten se comporta
de manera adecuada hasta inclinaciones de 45deg puesto que bajo estas
condiciones presenta FS entre 1111 y 1139
Es asiacute como se concluye que FS es inversamente proporcional al aacutengulo de
inclinacioacuten a la altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica al ser comparado
entre los modelos con las diferentes condiciones de sismo
Es evidente la influencia que tiene la presencia de agua en los suelos expansivos
a continuacioacuten se presenta un anaacutelisis del comportamiento de los suelos ante la
variacioacuten del paraacutemetro ru para taludes con una altura de 10m con el fin de
analizar cuaacutel de estos materiales se ve maacutes afectado por dicho paraacutemetro
101
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 33 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad (FS) de manera
insignificante al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y 05 con
factores de reduccioacuten de 392 hasta 328 desde 30ordm de inclinacioacuten hasta 75ordm
respectivamente cumpliendo con el factor de seguridad descrito en la NSR-10
(15 en condicioacuten estaacutetica) A diferencia del limo inorgaacutenico de alta plasticidad
(MH) que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a medida que
aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS entre 2416 y 1937 Por otro lado la
arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH) disminuye FS de 2127 a 2105 a medida
que aumenta el paraacutemetro ru
A partir de lo mencionado es claro que el factor de seguridad es inversamente
proporcional al paraacutemetro ru puesto que a mayor presencia de agua en el suelo
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
000 020 040 060
FS
RU
30ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
102
menor factor de seguridad el cual se hace evidente en el cambio que se presenta
para los diferentes materiales que como ejemplo se cita del CH que para un
aacutengulo de 30ordm 10 metros de altura con ru=0 hasta 05 brinda un factor de
reduccioacuten del 1034
Se evidencia que el CH tiene un comportamiento constante frente al cambio del
factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas cumplen con respecto al valor
brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se establece
a 105 pues los valores del FS oscilan entre 1460 hasta 1447 que comparado
con el material de MH para un aacutengulo de 30ordm la diferencia estaacute en un 1306
mientras que para el CL es de 309
El CL el FS es de 0909 hasta 0906 donde el ru=00 y ru=05 teniendo
posibilidades altas de falla con respecto a los materiales CH y MH siendo
afectado cada uno de los suelos por la condicioacuten dinaacutemica que hace a los
materiales propensos para que ocurra fenoacutemenos por remocioacuten en masa
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 30deg y una altura de 10 m
todos los materiales son oacuteptimos siendo MH el mejor de ellos representado en
porcentajes de 1982 hasta el 3914 Mientras que en dinaacutemico el CL No
cumple en ninguacuten momento con los paraacutemetros establecidos por la norma sismo
resistente mientras que los otros materiales si hasta cierto aacutengulo de inclinacioacuten
como se especifica en el anexo 3 Modelacioacuten adecuada para taludes compuestos
por suelos expansivos
103
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 45deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 34 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad a medida que
aumenta el contenido de agua en el suelo al igual que el CH y MH
De tal manera que para el material CH los valores de ru=00 entre el 1 al 29
esto se debe a que la modificacioacuten que le pueda llegar a generar el agua al suelo
es miacutenima frente al resto de materiales pues en el MH da un valor del 30 Lo
cual indica que existe un paso raacutepido del agua por las partiacuteculas del suelo
generando asiacute que en condicioacuten estaacutetica para una inclinacioacuten de 45deg el CL no
cumpla con respecto al factor de seguridad de la norma NSR-10 mientras que
MH y CL si siendo CH el material maacutes oacuteptimo para estas condiciones de talud
Se infiere que al aumentar el aacutengulo a 45ordm el factor de seguridad disminuye
siendo dicho valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0500
1000
1500
2000
2500
000 020 040 060
FS
RU
45ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
104
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 se observa que para los
suelos CH y MH cumple para el aacutengulo de 45ordm mientras que para el suelo CL no
cumple con dicha condicioacuten cuando presenta un fenoacutemeno de sismo
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 60deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 35 se evidencia que CL describe un comportamiento constante que
disminuye FS en un 27 al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y
05 con FS entre 024 a 044 respectivamente incumpliendo la NSR-10 A
diferencia del MH que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
000 020 040 060
FS
RU
60ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
105
medida que aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS Por otro lado en el suelo
compuesto por CH disminuye en 14 a medida que aumenta la condicioacuten de
agua
Se observa que el CH presenta un comportamiento constante frente al cambio
del factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas que cumplen con respecto al
valor brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se
establece a 105
De tal manera que el comportamiento para el MH se evidencia que el FS es
inversamente proporcional al factor ru debido que al aumentar las condiciones de
ru en el talud el FS disminuye cumpliendo con el valor miacutenimo descrito en NSR
10 hasta un ru de 04
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 45deg y una altura de 10 m
solo el CH y MH cumplen con el factor siendo materiales oacuteptimos para el disentildeo
siendo CH el mejor de ellos en condicioacuten dinaacutemico el CL no cumple con el factor
de seguridad miacutenimo establecido mientras que el CH es un material oacuteptimo para
las diferentes condiciones establecidas el MH en cambio cumple con aacutengulos
menores a 72ordm con un ru=025 mientras que en condiciones totalmente
saturadas cumple para aacutengulos de inclinacioacuten menores a 59ordmcomo se evidencia
en el anexo 3modelacioacuten adecuada para taludes compuestos por suelos
expansivos
106
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 75deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
En la figura 36 se evidencia que para condiciones estaacuteticas el FS se cumple
para el material de CH mientras que para los otros materiales de MH y CL no
cumple con las condiciones debido a que se encuentra por debajo de lo
establecido que es de 15 con la altura de 10 m De esta manera se evidencia en
los tres materiales que el FS es inversamente proporcional al ru con cambios de
08 en el valor del ru=0 hasta un 15 para un CH mientras que para el MH
varia entre el 2488 hasta el 3734 y para un CL la variacioacuten es de 018 a
025 pues entre mayor es dicho coeficiente menor es el factor de seguridad
Siendo afectado igualmente por el aacutengulo de inclinacioacuten y la geometriacutea del talud
Es asiacute como se infiere que al aumentar el aacutengulo a 75ordm el factor de seguridad
disminuye siendo el valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
000 020 040 060
FS
RU
75ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
107
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 cuando se encuentra
amenazado por un factor de sismo se observa que para los suelos CH cumple
para el aacutengulo de 75ordm mientras que para el suelo MH cumple hasta condiciones
de ru= 01 lo que indica que para condiciones de ru= 025 04 y 05 no cumpliriacutea
con dicha condicioacuten es asiacute como se observa el CL no cumple las condiciones
miacutenimas para el factor de seguridad en condiciones dinaacutemicas
Al realizar los diferentes modelos con las condiciones descritas se observa que el
paraacutemetro geomecaacutenico que modifica el comportamiento de los suelos expansivos
presentes en un talud es la cohesioacuten por lo tanto se ejecuta sensibilizacioacuten del
paraacutemetro y se hace una anaacutelisis del comportamiento que presenta frente a
cambios de geometriacutea y paraacutemetro ru de donde se observa que de los valores
descritos en el anexo 4 Para un ru establecido con una altura y aacutengulos
seleccionados se debe tener una cohesioacuten mayor al valor presentado en la tabla
pues se tiene en cuenta que a partir de un factor de seguridad en condiciones
estaacuteticas 15 los valores de cohesioacuten deben estar por encima de dicho valor
mientras que en condiciones dinaacutemicas deben estar por encima del valor de 105
lo que indica que entre mayor sea el valor de cohesioacuten a los valores determinados
mayor seraacute la atraccioacuten y unioacuten de las partiacuteculas del suelo evitando asiacute que se
presente un proceso de remocioacuten en un talud aumentando respectivamente el
factor de seguridad
108
9 CONCLUSIONES
Se definieron los paraacutemetros geomecaacutenicos de los materiales que se analizan en
cada una de las modelaciones (arcillas y limos) a partir de la informacioacuten descrita
en los antecedentes del presente trabajo de grado Gracias al libro de Amer Ali Al-
Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soil En Effect of remolding
techniques on soil swelling and shear strength properties Londres Taylor amp
Francis e-Library 2006 a partir del cual se obtiene detalle sobre los
comportamientos de suelos expansivos en taludes de tal manera que se ejecutan
diferentes modelaciones en las que se tienen en cuenta cambios en la geometriacutea
con el fin de comparar los factores de seguridad a traveacutes de graacuteficas de las cuales
se concluyoacute
El factor de seguridad es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la
altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica de donde se observa
detalladamente la influencia de la altura en el disentildeo del talud en el cual se
identifica que para alturas de 20 m conformado por este tipo de suelos bajo esta
condiciones de modelacioacuten los factores de seguridad tanto en condiciones
dinaacutemicas como estaacuteticas estaacuten por debajo del valor descrito en la Norma Sismo
Resistente Colombiana tiacutetulo H tabla H69-1 en donde se especiacutefica que la
estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetica debe ser de 150
y para condicioacuten dinaacutemica 105 sin embargo para los taludes con alturas de 10 m
se identifica que los suelos compuestos por arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(MH) son materiales con excelentes comportamiento en condicioacuten estaacutetica y
dinaacutemica mientras que el limo inorgaacutenico de alta plasticidad es oacuteptimo en
condiciones criacuteticas con sismo y ru=05 para inclinaciones de 45deg o menores y
con sismo y ru=025 inclinaciones de 60deg o menores
109
La arcilla de alta plasticidad (CH) contiene una cohesioacuten mayor comparada a la
de la arcilla de baja plasticidad (CL) y al limo de alta plasticidad (MH) lo que
indica una mayor resistencia a la presencia de agua lo que genera mayor
estabilidad en el talud asiacute mismo el CH por presentar un valor de liacutemite liacutequido
mayor es susceptible al cambio de estado de plaacutestico a liacutequido contrario a lo que
sucede con el MH ya que su liacutemite plaacutestico es mayor al resto de los suelos debido
a esto es susceptible al cambio de estado de semi-soacutelido a plaacutestico De igual
manera para que la arcilla de alta plasticidad cambieacute de estado es necesario que
el suelo presente un mayor valor de ru=05 que en suelos expansivos este valor
es hasta 067
Para las modelaciones que se realizan en el presente proyecto se utiliza el
software Slidereg el cual resulta de faacutecil manejo con respecto al anaacutelisis del factor
de seguridad en diferentes condiciones de ru en estado dinaacutemico y sismo Asiacute
mismo el meacutetodo utilizado (Bishop simplificado) es un meacutetodo que a pesar de solo
satisfacer el equilibrio de momentos y no cumplir con la totalidad de las
ecuaciones de la estaacutetica presenta exactitud frente a los resultados que se
obtienen en comparacioacuten al meacutetodo ordinario El cual utiliza las dovelas en donde
se tiene en cuenta las fuerzas entre las mismas siendo el maacutes utilizado para
calcular el factor de seguridad de los taludes la uacutenica restriccioacuten que presenta es
que solo considera las superficies de falla circulares
Con respecto al aacutengulo de inclinacioacuten en un talud el mismo tiene una afectacioacuten
directa del factor de seguridad ya que a medida que la reconformacioacuten geomeacutetrica
del talud aumenta se genera una condicioacuten de inestabilidad directa con respecto
a la geometriacutea lo que se evidencia en las graacuteficas para un talud de 30ordm a 75ordm
respectivamente en un 28 en estado estaacutetico y un 16 en estado dinaacutemico para
un MH en estado estaacutetico es un factor de reduccioacuten de 59 mientras que en
dinaacutemico es del 42 y para CL es de 27 para dinaacutemico y estaacutetico
110
10 RECOMENDACIONES
Dentro de las recomendaciones se exponen las diversas limitaciones existentes en
cuanto a paraacutemetros geomecaacutenicos que se usan en las modelaciones y los
meacutetodos para observar el comportamiento mecaacutenico del suelo y el caacutelculo del
factor de seguridad
Para los paraacutemetros geomeacutetricos de los taludes modelados se recomienda el
disentildeo de taludes de 45deg a 60deg dependiendo del espacio del terreno ya que una
mayor inclinacioacuten implica mayores costos y el talud se hace susceptible a sufrir
procesos de remocioacuten en masa Asiacute mismo se recomiendan alturas de 10 m para
este tipo de suelos expansivos ya que mostraron mejores factores de seguridad
Cuando se tiene presencia de limos de alta plasticidad se hace necesario tener
inclinaciones en los taludes menores a 67ordm con alturas de 10m y Ru=0 mientras
que para un Ru=025 se recomienda hacer el disentildeo de un talud con una
inclinacioacuten menor a 51ordm y en estado dinaacutemico con una inclinacioacuten menor a 72ordm y
con un Ru=05 menor a 59ordm con el fin de que cumpla con los criterios descritos en
la Norma Sismo Resistente Colombiana titulo H
Para obtener el disentildeo de un talud en el presente proyecto de grado se
recomienda tener precisioacuten en el suelo sobre el cual se vaya a disentildear debido a
que se presenta los paraacutemetros geomecaacutenicos para resultados de factores de
seguridad que dependen por completo de la definicioacuten de los mismos y al
variarlos no se comportaraacuten de la manera en que se analizoacute en el presente trabajo
de grado Esto se comprueba durante la modelacioacuten realizada debido a que se
generan diferentes modelos con diferentes paraacutemetros geomecaacutenicos no
mencionados en el presente trabajo pero si tenidos en cuenta para la seleccioacuten
de los mismos
111
En la modelacioacuten de taludes del proyecto se utilizoacute el meacutetodo de Bishop
Simplificado para la modelacioacuten en el software Slidereg de tal manera que la
modelacioacuten queda abierta a la utilizacioacuten de los diversos meacutetodos existentes
112
11 BIBLIOGRAFIacuteA
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Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos ambientalespg371
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de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de disentildeo
114
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H5Excavaciones y estabilidad de taludes
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Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de Campoalegre ndash Ciudad de
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1
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDAD
Fuente propia
ANGULO
(ordm) H(m) RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05
10 136 80 08 212 309 304 377 374 136 79 07 213 392 244 382 204 392 244 382 205 309 304 377 374
20 525 178 17 202 290 273 281 270 525 143 452 52 535 364 505 306 534 364 505 306 290 273 281 270
10 08 178 17 201 308 304 372 368 08 178 17 202 313 154 361 207 313 154 361 208 308 304 372 368
20 236 90 310 57 316 308 312 303 236 89 310 57 440 239 475 260 447 240 475 260 316 308 312 303
10 86 266 72 240 308 305 355 352 86 266 72 240 243 54 305 147 244 54 305 147 308 306 355 352
20 55 253 176 173 350 343 291 282 55 254 176 174 384 119 397 131 384 119 397 131 349 343 291 282
10 156 361 109 304 309 305 331 327 156 361 19 34 182 88 249 33 182 88 249 33 309 305 331 327
20 23 367 104 298 312 303 313 304 23 368 104 298 328 101 378 10 328 101 378 10 312 304 314 305
ANGULO
(ordm) H(m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICOESTAacuteTICO DINAgraveMICO RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 10 09 1982 2250 020 033 313 313 413 412 380 381
20 29 20 1333 2900 191 061 338 332 369 385 329 329
10 08 09 1908 1940 022 022 295 295 312 316 359 324
20 17 19 2760 2940 043 064 328 340 288 363 360 325
10 07 07 2025 1860 024 023 257 257 245 200 306 306
20 14 17 3026 3093 032 044 323 325 245 252 262 262
10 08 07 2488 2249 018 010 198 200 152 124 223 222
20 15 15 3914 3734 037 025 246 246 187 163 248 24775
45
60
462
475
472
516505
546
578
633
503
502
503
504
ALTURA DE 10 metros A 20 metros
460
473
526
535
527
551
574
628
CH MH CL
528
502
478
521
CH MH CL
DE ESTAacuteTICO A DINAacuteMICO
RU=00 A RU=05
CL
ESTATICO DINAMICO
RU=00 A RU=05 RU=00 A RU=05
CL
MH CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
CAMBIO DE RU
MH
30
MH
CH CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTATICO DINAMICO
30
45
60
75
CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
MH CL
ESTATICO DINAMICO
116
2
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA GEOMETRIacuteA
Fuente propia
H (m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 28 16 59 42 27 27
20 26 16 69 59 9 18
CH MH CL
CON INCLINACIONES DE 30ordm A 75ordm
117
3
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
Fuente propia
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
NO CUMPLE
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X lt669ordm X lt59ordm X lt51ordm X X X X X X X lt72ordm X lt59ordm
NO CUMPLE gt67ordm gt60ordm X gt52ordm X gt73ordm gt60ordm X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
10 CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
10
20
RU=00 RU=025 RU=05RU=00 RU=025 RU=05
20
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
10
20
CL
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
118
4
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOS
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 325 352 39 45 33 36 39 46 36 38 43 50 34 36 395 465 335 36 40 465
MH C(Knm2) 15 235 31 42 23 32 39 44 20 27 36 475 23 30 38 51 223 31 40 52
CL C(Knm2) 39 42 49 58 36 39 42 50 33 35 39 45 36 385 425 495 359 389 43 495
DINAacuteM
ICA
RU RU RU RU RU
ESTAacuteTI
CARU RU RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
RU
0 01 025 04 05
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 34 353 36 392 34 35 36 391 34 352 37 40 34 353 37 40 34 353 37 40
MH C(Knm2) 0 0 0 328 0 0 30 347 0 0 32 375 0 31 348 408 30 33 36 425
CL C(Knm2) 404 42 424 443 404 42 425 442 40 418 42 442 405 42 424 442 408 419 42 442
DINAacuteM
ICA
RU RU
04 05
RU
025
ANGULOS (ordm)ANGULOS (ordm)
0
RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
01
ANGULOS (ordm)
119
7
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos 28
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa 30
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten 31
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos 32
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa 33
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos 37
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes 40
Tabla 8 Normatividad 42
Tabla 9 Variables 45
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos 50
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos 51
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no
consolidado no drenado Suelo natural antes de ser tratado 55
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos 58
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(CH) 61
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad
(CL) 62
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
68
Tabla 17Valores de factor de seguridad 77
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander 26
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo 39
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para MH 56
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para CL 57
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av 64
Figura 6Valores de Kst A max 65
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos 66
Figura 8 Modelo en slide para un CH 69
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico 70
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico 71
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico 71
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico 72
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico 72
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico 73
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico 74
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico 75
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico 75
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico 76
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico 76
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en
condicioacuten estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m 78
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 79
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros 80
Figura 23 Rangos de variables 81
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con
9
altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm 82
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con
ru=00 en condicioacuten estaacutetica 83
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y
05 en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm 84
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=0 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 90
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 92
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 94
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=000 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 96
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 98
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 99
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 101
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
45deg y altura de 10 m en CH MH y CL 103
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
60deg y altura de 10 m en CH MH y CL 104
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
75deg y altura de 10 m en CH MH y CL 106
10
GLOSARIO
Asentamientos deformacioacuten de un suelo
Asentamientos inmediatos causado por la deformacioacuten elaacutestica del suelo la
cual ocurre en estados del suelo saturado seco o huacutemedo
Asentamientos por consolidacioacuten es el cambio de volumen en suelos
cohesivos saturados debido a la expulsioacuten del agua que ocupan los poros Los
suelos cohesivos saturados son suelos arcillosos los cuales dependen de la
permeabilidad que contenga el suelo
Asentamientos por compresioacuten secundaria parte de una deformacioacuten que ya
sucedioacute y ocurrioacute con un esfuerzo efectivo constante con ninguacuten cambio de agua
en los poros siendo dependiente del tiempo esto ocurre por el reajuste del suelo
Colapso disminucioacuten raacutepida de volumen del suelo producida por el aumento de
los siguientes factores contenido de humedad grado de saturacioacuten tensioacuten
mediante actuante tensioacuten de corte y presioacuten de poros
Cohesioacuten es la atraccioacuten entre partiacuteculas originada por fuerzas moleculares y
peliacuteculas de agua Por lo tanto la cohesioacuten de un suelo variaraacute si cambia el
contenido de humedad esta propiedad se mide en kgcm2
Criterio de falla se da cuando en una familia de facetas de la tensioacuten alcanza
una inclinacioacuten criacutetica (f) con la normal a la faceta La ruptura seraacute cuando la
tensioacuten tangencial alcanza el valor mayor de esfuerzos cortantes
Expansioacuten la alteracioacuten de las condiciones naturales de una arcilla que
11
produzcan cambios en el contenido de agua esta se integra con la estructura
laminar de la arcilla y si estaacute confinado presentara una elevacioacuten en las presiones
internas del material
Factor de seguridad es empleado para comprender cuaacutel es el factor de que el
talud falle en las peores condiciones de comportamiento Fellenius (1927)
presentoacute el factor de seguridad como la relacioacuten entre la resistencia al corte real
calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte criacuteticos que tratan de
producir la falla a lo largo de una superficie supuesta
Friccioacuten es la resistencia al deslizamiento causado por la friccioacuten existente entre
las superficies de contacto de las partiacuteculas y su densidad de tal manera que es el
aacutengulo cuya tangente es la relacioacuten entre la fuerza que resiste el deslizamiento a
lo largo de un plano y fuerza normal aplicada a este plano
Geomecaacutenico implica el estudio geoloacutegico del comportamiento del suelo y las
rocas
Grietas de contraccioacuten fisuras relativamente anchas respecto a la longitud que
se abren cuando se contrae el suelo o una roca Su formacioacuten constituye un
fenoacutemeno caracteriacutestico de los suelos arcillosos que al descascararse forman una
red poligonal de las grietas de retraccioacuten
Grietas en cuntildea son verticales y son producidas en regiones friacuteas que se
encuentran formadas tras la congelacioacuten raacutepida del suelo
Hinchamiento separacioacuten de las laacuteminas que componen las arcillas por la
absorcioacuten de agua en el espacio inter-laminar
12
Iacutendice de plasticidad diferencia numeacuterica entre el Limite Liquido y el Limite
Plaacutestico Define el campo plaacutestico de un suelo y representa el porcentaje de
humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plaacutestico
Inestabilidad desequilibrio fluctuacioacuten e inconsistencia de un terreno cuando es
afectado por agentes externos
Limite liacutequido es el contenido de agua expresado en porcentaje respecto al
peso del suelo seco que delimita la transicioacuten entre el estado liacutequido y plaacutestico de
un suelo remoldeado o amasado
Liacutemite de contraccioacuten contenido de humedad por debajo del cual se produce
una reduccioacuten adicional de volumen o contraccioacuten en el suelo
Ladera declive lateral de un terreno cuya pendiente se conforma a traveacutes del
aacutengulo que se formoacute con la horizontal
Sensitividad proporcioacuten de la resistencia a compresioacuten simple en estado
inalterado entre la del estado remoldeado
Sensibilidad de paraacutemetros geoteacutecnicos es el anaacutelisis del comportamiento de
las propiedades que influyen en la estabilidad de taludes
Suelo parte superficial de la corteza terrestre bioloacutegicamente activa que proviene
de la desintegracioacuten o alteracioacuten fiacutesica
Suelos colapsables son los suelos que presentan un cambio de relacioacuten entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia uacuteltima
del material A este grupo pertenecen las arcillas cementadas los limos y rocas
13
de gran porosidad
Suelo expansivo es un tipo de suelo capaz de producir un aumento de volumen
en relacioacuten con los cambios de humedad que puedan llegar a presentarse Dichos
materiales tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla
debido a su estructura
Suelos desmoronables suelos en los que sin la presencia o cambio de
condiciones son capaces de producir colapso donde no existe un cambio abrupto
en relacioacuten presioacuten-deformacioacuten La saturacioacuten produce un cambio volumeacutetrico
debido al incremento de presioacuten de poros que origina la resistencia al corte del
suelo
Talud porcioacuten de tierra elevada de dimensiones variables generalmente
rematando por una cuneta y caracterizado por una vegetacioacuten especiacutefica Dicho
elemento es construido con el tiempo pero tambieacuten puede ser producto de la
ejecucioacuten realizada con una construccioacuten artificial con tierra o piedra de tal
manera que es conformada con cualquier superficie inclinada respecto a la
horizontal
Terreno porcioacuten de espacio generalmente plano de tierra en el cual no se tiene
nada construido de tal manera que se trata de un aacuterea en la que no existe un
edificio o algo que cubra la superficie del mismo
14
INTRODUCCIOacuteN
Uno de los problemas caracteriacutesticos de la ingenieriacutea civil es la estabilidad de
taludes ya que los suelos presentan comportamientos dependiendo de la
estructura que lo componen y de los factores tanto extriacutensecos como intriacutensecos
generando movimiento de tierras que pueden terminar siendo generadores de
procesos de remocioacuten en masa como deslizamientos debidos a fallas rotacionales
o traslacionales o caiacutedas de rocas y detritos generando afectaciones socio-
econoacutemicas a la regioacuten Por ello es importante abordar temas como la estabilidad
de taludes en suelos expansivos como lo son la arcilla de alta plasticidad (CH)
arcilla de baja plasticidad (CL) y limo de alta plasticidad (MH) con el fin de
identificar el comportamientos de dichos suelos ante variables geomeacutetricas de
nivel freaacutetico y sismo A partir de las propiedades geomecaacutenicas de los suelos
expansivos en estudio se modelan los taludes de los diferentes perfiles
estratigraacuteficos con la correspondiente asignacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos
por medio del software Slide reg en el que al variar las condiciones de sismo y
contenido de agua se analiza la influencia que tienen en el factor de seguridad del
talud
La escasez de informacioacuten en el tema del comportamiento de suelos expansivos
genera la importancia necesaria para estudiar y analizar el tema a profundidad
creando herramientas dirigidas a ingenieros civiles tanto en campo como en
oficina para disentildeos oacuteptimos de taludes
15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El territorio colombiano presenta variedad de suelos expansivos por su
complejidad en el comportamiento mecaacutenico se hace necesario conocer la
inestabilidad que pueden presentar principalmente este tipo de suelos1 Es asiacute
como en varias zonas de Colombia se evidencian climas friacuteos-secos lo que
ocasiona una condicioacuten de sequedad que hace que algunos tramos en los taludes
presenten caracteriacutesticas de suelos expansivos2 que se caracterizan por tener
liacutemites miacutenimos y maacuteximos de contenido de humedad entre los cuales se
presenta la expansioacuten y contraccioacuten
De esta manera se identifica que los suelos compuestos por arcillas y limos que
son capaces de retener gran cantidad de agua debido a su estructura este
proceso induce a movimientos que generan grietas y asentamientos del terreno
afectando directamente el comportamiento del suelo problema que se acusa con
los cambios estacionales debido a los ciclos de humedecimiento-secado asiacute
como la ascensioacuten de nivel freaacutetico3 de tal manera que esto presenta un riesgo
para los usuarios de las viacuteas que presentan esta tipologiacutea de material Otra de las
amenazas se identifica cuando ocurre un sismo debido a que estos suelos
tienden a transmitir las ondas del sismo con rapidez y amplitud lo que llega a
generar colapso del talud4
1 MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos
ambientalespg371 2 LEOacuteN SICARD Tomas Enrique Estado del Recurso del Suelo [en liacutenea]
lthttpwwwunperiodicounaleducodperarticleagroquimicos-envenenan-suelos-en-colombiahtmlgt [Citado en 9 de noviembre de 2013] 3ASEFA Patologiacuteas por arcillas expansivas Naturaleza y comportamiento [en liacutenea]
lthttpwwwconcretonlinecomindexphpoption=com_contentampid=3179ampItemid=27gt [citado en 5 agosto del 2015]
4CINNA LOMNITZ Las causas probables de la cataacutestrofe siacutesmica del 19 de septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica
UNAM Ciencia y desarrollo septiembreoctubre 1988 Vol XIV Nuacutem 82 CONACYT
16
Es asiacute como en varios lugares se han reportado movimientos en masa como
deslizamientos y fallas rotacionales en los cortes realizados en laderas debido a
la inestabilidad generada por los materiales de los que se encuentran compuestos
los suelos5
Debido a lo anterior se requiere hacer un estudio a los suelos expansivos los
cuales se identifican mineraloacutegicamente con la determinacioacuten de propiedades
baacutesicas tambieacuten a traveacutes de meacutetodos indirectos del potencial expansivo y
medidas directas de la expansioacuten esto con el fin de observar las caracteriacutesticas
geomecaacutenicas en la ejecucioacuten de taludes seguacuten los factores baacutesicos miacutenimos
descritos en la norma sismo resistente (NSR-10) Titulo H241
Es importante conocer iquestCuaacutel es el comportamiento de los paraacutemetros
geomecaacutenicos de taludes compuestos por suelos expansivos ante variables de
nivel freaacutetico geomeacutetria y sismo
5SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47 regionales [en liacutenea]
lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
17
2 ANTECEDENTES
Uno de los temas de mayor intereacutes en la Ingenieriacutea Civil es la estabilidad del
suelo debido a sus inesperados y diferentes comportamientos para los cuales se
hace necesario el estudio y anaacutelisis taludes con el fin de lograr estabilidad y
factores de seguridad oacuteptimos cuando se encuentran compuestos por suelos
expansivos
Se han presentado diferentes casos en donde se vuelve indispensable realizar
una caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes para el anaacutelisis de la vulnerabilidad
que tiene un sitio referente a un talud en donde se cuenta con aspectos que
definen la amenaza asociada valores encontrados para la vulnerabilidad fiacutesica6
metodologiacutea para la cual se determina el riesgo asociado a dicha vulnerabilidad
En torno a este tema en particular la mayoriacutea de las investigaciones trabajan de
forma aislada la amenaza la vulnerabilidad y no evaluacutean en forma precisa el
riesgo por la accioacuten de procesos de remocioacuten en masa que desestabilizan los
taludes con base en el esquema de la caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes es
posible desarrollar una metodologiacutea que evaluacutee el riesgo asociado a inundaciones
sismos vientos o realizar una metodologiacutea integral que involucre todas esas
variables7
En Colombia se presentan casos diversos de falla en viacuteas un ejemplo es la falla
que ocurrioacute en la viacutea Manizales ndash Mariquita Tramo 5006 Debido a la inadecuada
entrega de la alcantarilla presente en ese sitio esto produjo socavacioacuten en el talud
inferior de la viacutea quitaacutendole el soporte al muro ocasionando su volcamiento Ello
6 HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y vulnerabilidad Fiacutesica por taludes y laderas inestables
en la micro Cuenca de la quebrada Cay Ibagueacute Universidad del Tolima Departamento del Tolima Maestriacutea en
planificacioacuten y manejo ambiental de cuencas 2013 pg 119
7 ibiacuted p 119
18
acelero la rotura de un acueducto veredal que satura el relleno causando paso
restringido de vehiacuteculos a un solo carril8 El objetivo de este estudio fue identificar
las diferentes formas de estabilizacioacuten y plantear la solucioacuten definitiva
correspondiente a un sistema de estructura que consta de pilotes metaacutelicos
generando estabilizacioacuten del talud
La Universidad Nacional incluye en un estudio realizado como parte de la
caracterizacioacuten fiacutesica algunas teacutecnicas para el anaacutelisis de la composicioacuten
mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y propiedades
iacutendice en las arcillas de Barranquilla En donde se tomoacute como base el cambio
volumeacutetrico descrito en la mayoriacutea de investigaciones y como aporte al
conocimiento del comportamiento expansivo de las arcillas del distrito de
Barranquilla (Colombia) con desarrollo de un programa experimental orientado a
caracterizar sus propiedades fiacutesicas micro-estructurales y de comportamiento
geoteacutecnico en muestras naturales inalteradas La caracterizacioacuten fiacutesica incluye
composicioacuten mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y
propiedades iacutendice la microestructura de muestras naturales se analiza
cualitativamente usando teacutecnicas microscoacutepicas (oacuteptica y electroacutenica de barrido) y
deducciones indirectas a partir de curvas de retencioacuten de agua (CRA) por uacuteltimo
el comportamiento geomecaacutenico se enfoca en el estudio del cambio volumeacutetrico
en condiciones de humedecimiento - saturacioacuten y procesos de carga ndash descarga9
Alliacute se concluyoacute que el potencial de expansioacuten colapso bajo carga no depende
exclusivamente de la carga vertical aplicada antes de la saturacioacuten sino de las
condiciones de faacutebrica y succioacuten inicial del material esto difiere en lo que se
encuentra en estudios realizados en la zona10
8 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de
Campoalegre ndash Ciudad de Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
9 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
10 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
19
Se han desarrollado variedad de estudios sobre el comportamiento de suelos
expansivos como ejemplo el libro Expansive Soils editado por Amer Ali Al-Rawas
ampMattheus FA Goosen en el cual se describen avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento de suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar inconvenientes causados por la presencia de
los mismos en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada por la
expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten que presentan
debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel freaacutetico Se analizoacute el efecto
de las teacutecnicas de remoldeo en el hinchamiento de suelos y las propiedades de las
fuerzas de cizallamiento que se presentan en los resultados de los efectos de
meacutetodos sobre la presioacuten por oleaje en el suelo resistencia a la compresioacuten
inconfinada Para lo cual se tomaron tres tipos de suelos CH CL y ML con
muestras inalteradas que fueron seleccionadas en la zona norte de Jordania con
una amplia gama de contenido de arcilla
Las propiedades fiacutesicas de estos suelos incluyendo la gradacioacuten el liacutemite plaacutestico
y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco maacuteximo y el
contenido oacuteptimo de agua se obtienen a traveacutes de las especificaciones con las
que cuentan las normas ASTM Las muestras de suelos perturbados y no
perturbados se obtuvieron de los lugares descritos en el paacuterrafo anterior y fueron
probadas en el laboratorio de mecaacutenica de suelos en Jordan Universidad de
Ciencia y Tecnologiacutea Los especiacutemenes remoldeados estaban preparados para la
compresioacuten inconfinada y los ensayos de hinchazoacuten utilizando tres teacutecnicas de
remoldeo dinaacutemicas estaacuteticas y amasado Esto con el fin de lograr un estudio en
el potencial de hinchamiento de ese tipo de suelos ante los diferentes ensayos La
evaluacioacuten de la presioacuten debida a la hinchazoacuten la inflamacioacuten potencial y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada se vio afectada por el meacutetodo de
remodelacioacuten
20
Por lo tanto de este ensayo se concluyoacute que las muestras inalteradas obtienen
valores altos de presioacuten de hinchamiento la remodelacioacuten dinaacutemica tuvo los
valores maacutes altos de la hinchazoacuten y la compresioacuten inconfinada seguido por la
fuerza estaacutetica y el remoldeo por amasado respectivamente de esta manera se
observa que el contenido inicial de agua afecta tanto a la presioacuten de la hinchazoacuten
como a la resistencia a la compresioacuten inconfinada
De esta manera se encuentra el desarrollo de otro estudio ejecutado en el libro de
Expansive Soils en donde se describe una serie completa de pruebas referidas a
la compresioacuten no confinada (UC) no consolidado no drenado (UU) triaxiales y
columna resonante (RC) se realizaron sobre muestras estabilizadas
quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del sureste de Arlington Texas
despueacutes de haber sido sometido a ciclos (WD) repetidos de humectacioacuten-secado
inducido artificialmente en el laboratorio los cuales arrojaron unos resultados que
se utilizaron para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo plazo la
rigidez el efecto de hincharse y su continua contraccioacuten brindoacute respuesta del
suelo tratado incluyendo resistencia a la compresioacuten no confinada sin olvidar
resistencia al corte moacutedulo de corte dinaacutemico y material de amortiguacioacuten Se
utilizoacute meacutetodos de estabilizacioacuten que incluyen sulfato resistente cemento Tipo V
baja en calcio clase F mosca ceniza cal viva mezclaacutendolas con fibras de
polipropileno Muestras de suelo que se trataron y fueron curadas durante 7 diacuteas y
despueacutes se sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la UC UU y RC
la prueba Un ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua
potable en la sala de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a
140 F Encargoacute caacutemaras wd que permiten el monitoreo de 1-D al hincharse y
encogerse siendo esta la respuesta durante wd repetido Una dosis -por peso del
10 de cemento Tipo V el cual brinda mejor rendimiento general bajo realizado
con el ensayo de la resistencia al corte sin drenaje En donde se halloacute que Las
cenizas presentan malos resultados en comparacioacuten a todos los estabilizadores
21
con una simultaacutenea disminucioacuten de la c y bajo continuo w - d Aunque los valores
de fibras de cal suelo tratado tienden a aumentar con wd repetido Sin embargo
todos los suelos tratados superaron suelo natural despueacutes de 32 ciclos wd con el
tipo del 10 V suelo con cemento tratado mostrando un mejor rendimiento c-
De tal manera que la presencia de agua en este tipo de suelos los hace menos
resistencia a el ensayo de compresioacuten a fuerzas cortantes o de cizallamiento
debido a que alteran su estructura interna generando comportamientos
inadecuados para el cuerpo ingenieril debido a que se veraacuten afectadas las
construcciones realizadas sobre los mismos de esta manera seraacute necesario hacer
un tratamiento de estabilizacioacuten para proveer caracteriacutesticas mecaacutenicas
apropiadas de los suelos expansivos 11
11
Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos
y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
22
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos
por suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos
23
4 JUSTIFICACIOacuteN
Los suelos expansivos presentan algunas propiedades que pueden llegar a
generar variaciones en el comportamiento del suelo como los cambios
volumeacutetricos en presencia o ausencia de agua produciendo expansioacuten y
contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad portante y resistencia al corte
cuando se incrementa el contenido de agua
Al realizar cortes en laderas se presenta un cambio en la condicioacuten de resistencia
inicial del material lo que genera inestabilidad y un inminente riesgo el
comportamiento del suelo se analiza a traveacutes de la sensibilizacioacuten de paraacutemetros
que conduce a la mejora del factor de seguridad con respecto al disentildeo debido a
esto se llevoacute a cabo una comparacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes
los cuales brindaron soluciones oacuteptimas para el disentildeo de los mismos en suelos
expansivos
Es importante realizar el estudio de suelos expansivos y su comportamiento en
taludes ya que este tipo de suelos generan desplazamientos de materiales
Debido a que los suelos se hidratan y se hinchan estas condiciones se presentan
naturalmente tanto en eacutepocas de lluvia y en eacutepocas de sequia
Los riesgos que presenta en un proceso de estos son
Asentamientos en muros y cimientos
Deformacioacuten en los pavimentos y aceras
Movimientos de laderas
Roturas de cantildeerias y drenajes
Aparicioacuten de cavidades por disolucioacuten de sales
24
La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento de paraacutemetros
geomecaacutenicos en taludes ante variables de afectacioacuten para lo cual se realizan
aacutebacos que permitan identificar la manera en la que se ven afectados dichos
taludes y asiacute predecir su comportamiento por medio de programas de modelacioacuten
para el disentildeo de taludes con el fin de encontrar el factor de seguridad de disentildeo
y obtener las condiciones necesarias para la construccioacuten del mismo pensando en
el beneficio de la poblacioacuten
25
5 MARCO REFERENCIAL
El trabajo estaacute basado en la presentacioacuten de anaacutelisis sobre el comportamiento de
suelos expansivos en taludes con el fin de observar la inestabilidad del terreno el
cual se manifiesta mediante desplazamientos implicando ruina total o parcial de
sitios aledantildeos en donde se presenta este tipo de procesos de remocioacuten en masa
Este anaacutelisis conduce a un estudio referente a propiedades de los suelos que son
importantes las cuales generan cambios volumeacutetricos en presencia o ausencia de
agua produciendo expansioacuten y contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad
portante y resistencia al corte cuando se incrementa el contenido de agua
Es necesario tener presente conceptos como la composicioacuten y comportamiento
mecaacutenico de suelos expansivos que componen taludes asiacute mismo la afectacioacuten
que pueden generar estos suelos cuando son intervenidos por sismo y lluvia
Para el desarrollo de lo anterior se llevaraacute a cabo la presentacioacuten de los conceptos
tales como arcillas expansivas deslizamientos procesos de remocioacuten en masa
sensibilidad de paraacutemetros y anaacutelisis determiniacutestico
51 MARCO CONCEPTUAL
En el marco conceptual se establecen conceptos relacionados con la
investigacioacuten sobre la presencia de suelos expansivos como arcillas de baja alta
plasticidad y limos de alta plasticidad en taludes debido a que estaacute clase de
suelos tienen caracteriacutesticas de respuestas y comportamientos de expansioacuten y
contraccioacuten asociadas al humedecimiento y secado Por lo tanto la descripcioacuten
de estos comportamientos requiere el uso de un marco conceptual que incorpore
aspectos de anaacutelisis determiniacutesticos y meacutetodos de anaacutelisis con respecto al
comportamiento geomecaacutenico
26
Suelos Expansivos 511
Material susceptible que genera cambios de volumen los cuales se encuentran
directamente relacionados con cambios de humedad o variacioacuten con respecto al
contenido de agua La estructura del material retiene grandes cantidades de agua
lo que puede producir un aumento de volumen notorio12
El contenido de humedades un factor importante cuando se habla de la expansioacuten
de un suelo esto se presenta solo en los suelos expansivos como se observa en
la figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander cuando existen
variaciones climaacuteticas que influyen directamente en el comportamiento
generando grietas en el suelo13
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander
Fuente httpgooglaVWI0V
12
INGSPATRONE J amp PREFUMO JE La accioacuten de los suelos expansivos sobre las cimentaciones meacutetodos de
prevencioacuten y control Paacuteg 1-16[en
linea]lthttpwwwumeduuy_upload_descargaweb_descarga_204_AccindesuelosexpansivosAntildeo 2004gt[citado en 5 de
agosto del 2015]
13 Ibidp12
27
5111 Identificacioacuten de suelos expansivos
Los suelos expansivos se identifican de manera visual por varias caracteriacutesticas
tienen alta plasticidad si se observan en el terreno se encontraraacuten grietas
ocasionadas por la expansioacuten y contraccioacuten constante que sufre dicha superficie
esto se presenta cuando hay variacioacuten de humedad14
La identificacioacuten mineraloacutegica es una de las principales formas por las cuales se
ubican los suelos expansivos debido a que los meacutetodos maacutes recomendados son
difraccioacuten de rayos x anaacutelisis teacutermico diferencial anaacutelisis quiacutemico absorcioacuten de
tinte y la microscoacutepica electroacutenica Las cuales consisten en detectar la presencia
de minerales arcillosos que resultan expansivos15
5112 Ensayos de identificacioacuten de suelos expansivos
Es necesario ejecutar una valoracioacuten frente al comportamiento que puede llegar a
presentar un suelo con presencia de arcillas y limos cuando es sometido a
diferentes situaciones donde se ve alterada su composicioacuten de tal manera que
los diferentes ensayos permiten hacer un acercamiento de lo que sucede en la
realidad y especialmente en casos donde el suelo presenta humedad La tipologiacutea
y descripcioacuten de este tipo de ensayos se presenta en la tabla 1 Ensayos y
laboratorios en suelos descrita a continuacioacuten
14
INGSPATRONE Jamp PREFUMO JE Opcit1-16
15Ibid p1-16
28
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos
ENSAYOS Y LABORATORIOS
DESCRIPCIOgraveN
Hinchamiento Libre
Se humecta el suelo permitiendo una expansioacuten vertical
de una probeta por lo que el confinamiento lateral impide
la deformacioacuten lateral se realiza sobre muestras
inalteradas saturadas
Determinacioacuten de la presioacuten maacutexima del
hinchamiento
Impide la expansioacuten vertical al aplicar tensioacuten vertical
necesaria que compensa dicho hinchamiento se realiza
sobre muestras inalteradas Y saturadas
Ensayo de Lambe
Consiste en la preparacioacuten de una probeta de suelo que
se compacta en condiciones estandarizadas de humedad
inicial de tal manera que se impide una expansioacuten lateral
confinaacutendola en un anillo Una vez producida la
inundacioacuten de la ceacutelula se determina la tensioacuten maacutexima
de tensioacuten mediante un anillo dinamomeacutetrico con el
bastidor quienes se encargan de ejercer la reaccioacuten ante
la fuerza de expansioacuten que manifiesta la muestra al
hinchar El valor de esta tensioacuten maacutexima de hinchamiento
permite una clasificacioacuten cualitativa del material en
funcioacuten de ciertos grados de expansividad
Ensayo de volumen de sedimentacioacuten
Este criterio fue dado por Holtz y Gibbs el cual se utilizaba
para averiguar el potencial de hinchamiento de un suelo
consiste en depositar 10 cm3 de suelo seco que pase por
el tamiz Nordm40 en un cilindro graduado con 100 cm3 de
agua y se observa el aumento del volumen de la muestra
una vez sedimentada debido al hinchamiento dio
resultado se expresa en porcentaje de aumento de
volumen respecto al volumen inicial del suelo
Liacutemite Liacutequido
Es el contenido de humedad para el cual el suelo pasa
de un estado liacutequido a plaacutestico el ensayo que permite
determinar el liacutemite liquido consiste en colocar diferentes
muestras de suelo con humedad variable en un
recipiente o taza metaacutelica accionada por medio de una
manivela que se encarga de levantarla y dejarla caer
29
Fuente compilacioacuten propia tomado de Ensayos sobre suelos expansivos[en
liacutenea]lthttpwwwestudiosgeotecnicosinfoindexphpensayos-laboratorio-suelos-expansivosgt [citado en 5 de agosto del
2015]
Liacutemite liacutequido
repetidas veces Antes de inicia el ensayo se realiza una
ranura de diferentes dimensiones con una espaacutetula
contando el nuacutemero de golpes con el fin de que la ranura
quede frac12 pulgada cerrada Dichos datos se grafican y
cuando la curva obtenida corta la liacutenea correspondiente a
los 25 golpes se considera este valor como el limite
liquido del suelo
Liacutemite Plaacutestico
Es el contenido de humedad para el cual se cambia del
estado plaacutestico al semisoacutelido de tal manera que en el
estado plaacutestico el suelo es semi moldeable mientras que
en el semisoacutelido se agrieta amoldaacutendose El limite plaacutestico
queda definido cuando el suelo contiene justo la humedad
necesaria para que al amasar manualmente bastoncitos
de 03 cm estos no se agrieten y se rompan
Liacutemite de Retraccioacuten
Este liacutemite queda determinado por la miacutenima cantidad de
agua necesaria para llenar los poros de una muestra de
suelo seco a este liacutemite corresponde el menor volumen de
la masa del suelo determinado por la frontera entre el
estado soacutelido y semisoacutelido En las arcillas este liacutemite
alcanza el 5 y el 10 lo que indica que la capacidad
portante se incrementa a medida que disminuye el
porcentaje de humedad
Ensayo de Triaxial
A traveacutes de esta prueba se identifican las propiedades
de tensioacuten- deformacioacuten del suelo en este ensayo una
muestra de suelo ciliacutendrica normalmente con una
relacioacuten de altura-diaacutemetro se somete a dos
incrementos de tensioacuten axial y radial dicha muestra se
encuentra protegida con una membrana y las tensiones
radiales son impuestas por una presioacuten de confinamiento
en todas sus caras Los esfuerzos axiales son impuestos
por un vaacutestago que penetra la caacutemara de confinamiento
hasta que se produce la rotura
30
De esta manera se hace necesario identificar los tipos de deslizamientos que se
presentan en taludes los cuales generan un proceso de remocioacuten en masa
afectando de manera directa la poblacioacuten a niveles sociales econoacutemicos entre
otros identificados en la tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Fuente Compilacioacuten propia del libro de Suarez Jaime Diacuteaz Deslizamientos y estabilidad de taludes
31
ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL
BLANDO
ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES
TIPO IMAGEN
MATERIAL HOMOGENEO
MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
Seguacuten la composicioacuten y estructura del talud se produce un tipo deslizamiento esto
puede observarse en la tabla 3Efectos de la estructura en la formacioacuten de
deslizamientos de rotacioacuten donde se describe el efecto del deslizamiento
causado seguacuten la estructura del talud
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten
32
Por lo tanto Los paraacutemetros geomecaacutenicos son elementos necesarios que ayudan
a la comprensioacuten del anaacutelisis con respecto al comportamiento del suelo en el
presente trabajo se hace el estudio de los paraacutemetros descritos en la tabla 4
Paraacutemetros geomecaacutenicos
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Conociendo los paraacutemetros geomecaacutenicos que componen cada uno de los suelos
se identifica el concepto de remocioacuten en masa el cual es el desplazamiento de
grandes voluacutemenes de material superficial descrito de manera detallada en la
tabla 5Procesos de remocioacuten en masa
PARAacuteMETRO CONCEPTO ECUACIONES DESCRIPCIOacuteN
DENSIDAD
Relacioacuten entre la unidad de peso y la unidad de
voluacutemen de la fase soacutelida del suelo siendo maacutes o
menos constante ya que estaacute determinado por la
composicioacuten quiacutemica y mineraloacutegica de la fase
soacutelida
ρ=mV
ρ= densidad
m= masa
V= volumen
PESO ESPEacuteCIFICO
Se definen peso especiacutefico relativo a la relacioacuten entre
el peso especiacutefico de una sustancia y el peso
especiacutefico del agua destilada a 4 grados centigrados
sujeta a una atmoacutesfera de presioacuten
Pc=pV
Pc= Peso especigravefico
P=Peso
V= volumen
CARACTERISTICAS
ESTRUCTURALES
Se refiere a la orientacioacuten de las discontinuidades
tamantildeo y forma de rocas espaciado grado de
fracturacioacuten del macizo rocoso aacutengulo de inclinacioacuten
No aplica
EFECTO DEL AGUA
La estabilidad del talud y resistencia al cizallamiento
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos
33
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa
Fuente Ajustado de httpjulsgeoambientaljimdocomportafolioremocioacuten en masa
Es asiacute como el subsuelo o sustrato es la capa de suelo debajo de la capa
superficial de la tierra El cual incluye sustancias como arcilla yo arena que soacutelo
han sido parcialmente desglosadas por aire luz solar agua viento etc para
producir suelo verdadero Debajo del subsuelo estaacute el sustrato que puede
ser rocoso de sedimentos o depoacutesitos eoacutelicos en gran medida afectados por
factores formadores de suelo activo en el subsuelo El subsuelo contiene
LITOLOacuteGICOS ESTRUCTURALES TOPOGRAacuteFICOS ANTROacutePICOS TECTOacuteNICOS CLIMAacuteTICOS
El material superficial
se encuentra suelto y
puede ser removido
con facilidad en una
ladera por efecto de la
presioacuten de una
cantidad de agua
necesariamente si
bajo este material
superficial existe roca
consolidada e
impermeable
En el relieve se
presentan grietas o
diaclasas juntas que
por efecto de la
meteorizacioacuten fiacutesica
quiacutemica o bioloacutegica
provocan el
desmenuzamiento o
descomposicioacuten de
las rocas
Existen laderas de
montantildeas de colinas
con pendiente
abruptas o de terrenos
muy inclinados
En aacutereas con
pendientes
fuertemente taladas
(deforestadas) por el
hombre el material
superficial queda
expuesto a la
intemperie
Las ondas siacutesmicas
provocan el
desplazamientode
materiales
superficiales o de
unidades maacutes
importantes del relieve
como puede ser un
aacuterea accidentada o
no
Caen fuertes
precipitaciones o
caen de manera
continua provocan
deslizamientos sea
por aumento de
sobrecarga o por
cambios extremos en
las temperaturas las
cuales quiebran los
mantos rocosos
Es el desplazamiento de grandes voluacutemenes de material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por accioacuten directa de la fuerza de
gravedad hasta volver a encontrar un nuevo punto de reposo Los movimientos de masa se presentan sobre todo en la eacutepoca lluviosa o
durante una actividad siacutesmica
PROCESOS DE REMOCIOacuteN EN MASA
Se produce porque la fuerza actuante (sobrecarga) que es originada normalmente por el agua ejerce una presioacuten hacia abajo que rompe el
equilibrio existente hasta ese momento la gravedad proporciona la energiacutea adicional requerida para que se produzca el movimiento
descendente En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve se origina fundamentalmente por los movimientos siacutesmicos
FACTORES
CONCEPTO
ORIGEN
MOVIMIENTOS COMUNES
Formacioacuten de una superficiede ruptura recta o
curvada a partir de la cual se desplaza toda la
porcioacuten de terreno separada del conjunto con
la misma velocidad en todas sus partes
conservando su estructura y forma original
DESLIZAMIENTOS REPTACIOacuteN
Movimiento lento del suelo yo de detritos
rocosos cuesta abajo por lo general no
perceptible que afecta la parte superficial de
la ladera la capa de suelo y en algunos casos
la parte superior de la roca alterada Causas
lluvias o de fusioacuten de nieves que saturan los
suelos en ambientes huacutemedos y sobre
laderas con pendientes moderadas
DERRUMBAMIENTO
Incluye movimientos y caida directa de
material rocoso de variable dimensiones
Son causados por La fuerza gravitacional de
la tierra Grado e inestabilidad de fracturas de
la roca Efecto de meteorizacioacuten Efectos de
congelamiento del agua en las fracturas
34
partiacuteculas parcialmente degradadas por lo general de un tono maacutes claro de color
marroacuten o amarillo y contiene las raiacuteces profundas de las plantas grandes como los
aacuterboles
Existen diferentes meacutetodos de exploracioacuten para tomar muestras alteradas e
inalteradas
Una muestra alterada es aquella que estaacute constituida por material
disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales
para conservar las caracteriacutesticas de estructura y humedad in situ no
obstante en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua
original del suelo para lo cual las muestras se envasan en recipientes
impermeables y se transportan de forma que esteacuten protegidas de los
agentes atmosfeacutericos Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de
suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice y preparar especiacutemenes
compactados para someterlos a pruebas mecaacutenicas (SAHOP 1974)
Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura no
sufre de alteraciones quiacutemicas ni de humedad es decir conserva las
propiedades que teniacutea in situ Estas muestras se utilizan en el laboratorio
para identificar el tipo de suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice
y mecaacutenicas16
Las muestras inalteradas se obtendraacuten de suelos finos que pueden labrarse sin
que se disgreguen La obtencioacuten puede efectuarse en el piso o en las paredes de
una excavacioacuten como en un pozo a cielo abierto en la superficie del terreno
natural o en la de una terraceriacutea La excavacioacuten para obtener una muestra deberaacute
16Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015]
35
ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extraccioacuten de
la misma Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo
en su estado natural por lo que su obtencioacuten empaque y transporte requieren
cuidados especiales a fin de no alterarlas Las muestras deben ser identificadas
claramente Las superficies que esteacuten expuestas deben ser protegidas con
material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que
amortiguumlen las vibraciones que pudiera sufrir 17
5113 Problemas de los suelos expansivos en taludes y laderas ante
solicitaciones
Los terrenos con pendiente pronunciadas son aquellos que tienen susceptibilidad
ante fenoacutemenos como lo son los deslizamientos amplificacioacuten siacutesmica entre
otros18
Un sismo en materiales expansivos brindaraacute una respuesta dinaacutemica generada
por los suelos esto dependeraacute de las condiciones del esfuerzo de confinamiento y
del nivel de deformacioacuten que presenten los materiales de esta manera el suelo
no disipara energiacutea por poco amortiguamiento y la degradacioacuten a traveacutes de los
ciclos seraacute pequentildea lo cual indica una respuesta elaacutestica lineal Es asiacute como a
grandes deformaciones el suelo disipa mayor energiacutea por alto amortiguamiento y
la presioacuten de poro iguala el esfuerzo efectivo de confinamiento producieacutendose un
deterioro del suelo y por consiguiente la peacuterdida de resistencia por lo tanto la
respuesta es no lineal donde la rigidez decrece con el nuacutemero de ciclos19
17
Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015] 18
Criterio para calificar los suelos con fines urbanos [en liacutenea]lt httpesslidesharenetcarlosjcamachopresentacin-
de-la-materia-3742687gt [citado en 3 de octubre del 2009] 19
Comportamiento Dinaacutemico de las Arcillas [en liacutenea]
lthttpwwwptolomeounammx8080jspuibitstream132248521006014A4pdfgt[citado en 2 de enero del 2009]
36
Otro de las solicitaciones que modifican el estado de un talud se refiere a la
cantidad de agua que se infiltre por el suelo debido a que los periodos climaacuteticos
del antildeo se modifican y dependiendo de la cantidad de precipitacioacuten aumentaraacute o
disminuiraacute el nivel freaacutetico es asiacute como los suelos expansivos sufriraacuten aumento o
disminucioacuten de volumen seguacuten la cantidad de agua sea mayor o menor lo que
causara el hinchamiento en eacutepocas de lluvia y retracciones en eacutepoca seca
generando grietas y posterior rotura del suelo
Por consiguiente la gravedad podraacute causar deslizamientos con este tipo de suelos
De esta manera se presentaran perdida de asentamientos en muros y cimientos
deformacioacuten en pavimentos en las aceras movimientos de laderas y aparicioacuten de
cavidades por disolucioacuten de sales
En el caso de las cargas soportadas por suelos expansivos como lo son
pequentildeas zapatas soportando cargas livianas son faacutecilmente levantadas
mientras que cuando las zapatas son de gran tamantildeo y soportan cargas pesadas
no ocurre este proceso20
5114 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Dentro de los meacutetodos de exploracioacuten de suelos existen dos clasificaciones
meacutetodos directos y meacutetodos indirectos En la tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de
suelos se muestra una clasificacioacuten general de los meacutetodos de exploracioacuten maacutes
usuales y una breve descripcioacuten21
20
Villalaz Carlos Crespo Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta edicioacuten MexicoLimusa2004ISBN 968-18-6489-1
21 Tesis Meacutetodos de exploracioacuten de suelos [En liacutenea] lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en
23 de Junio de 2015]
37
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Meacutetodo Descripcioacuten
Meacutetodos
directos
Pozos a cielo
abierto
Es el meacutetodo maacutes satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo
Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse
en eacutel examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer
muestras alteradas e inalteradas Su aplicacioacuten eficiente resulta sobre suelos
cohesivos
Pala
posteadora
Es un meacutetodo manual de exploracioacuten somera que consiste en hincar un barreno y
obtener muestras del tipo alterado pero representativas en cuanto al contenido de
agua Se utiliza en lugares donde otros equipos mecaacutenicos no pueden ser usados
Tubo Shelby Consiste en un tubo afilado de 75 a 10 cm de diaacutemetro que se hincan a presioacuten
para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o
semiduros
Sondeo de
penetracioacuten
estaacutendar
Con esta teacutecnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la
resistencia al corte con el nuacutemero de golpes con el que se hinca el penetroacutemetro
una distancia de 30 cm El equipo consta de un penetroacutemetro el cual se hinca a
golpes mediante un martinete de 635 kg que cae desde 76 cm de alto
Muestreador
Denison
Consiste en dos tubos conceacutentricos que se hinca en el suelo para obtener
muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyeccioacuten de fluido de
perforacioacuten que se hace circular entre ambos tubos
Meacutetodos
indirectos
Meacutetodo
siacutesmico
Consiste en provocar una explosioacuten en un punto determinado del aacuterea a explorar
usando una pequentildea carga de explosivo usualmente nitro amonio Por la zona a
explorar se situacutean geoacutefonos cada 15 oacute 30 cm Este procedimiento se funda en la
velocidad de propagacioacuten de las ondas vibratorias de tipo siacutesmico a traveacutes de
diferentes medios materiales
Meacutetodo de
resistividad
eleacutectrica
Consiste en inducir una corriente eleacutectrica a traveacutes de los suelos de tal forma que
se presente una mayor o menor resistividad eleacutectrica para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo Mayores resistividades corresponden a rocas
duras siguiendo con rocas suaves y asiacute sucesivamente hasta valores menores
correspondientes a suelos suaves saturados
Meacutetodos
magneacuteticos y
gravimeacutetricos
Para el primero se utiliza un magnetoacutemetro que mide la componente vertical del
campo magneacutetico terrestre en la zona considerada en varias estaciones
proacuteximas entre siacute En los meacutetodos gravimeacutetricos se mide a aceleracioacuten del
campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar La informacioacuten
que proveen estos meacutetodos es algo erraacutetica y difiacutecil de interpretar
Fuente Ajustado de httptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdf
38
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 512
Se describen los diferentes meacutetodos de anaacutelisis en taludes con la finalidad de
observar la diferencia entre los mismos e identificar cuaacutel de ellos cumple con la
desarrollo del trabajo en el anaacutelisis del valor de factor de seguridad resumidos en
la graacutefica 2 Meacutetodos de caacutelculo
5121 Meacutetodos de equilibrio liacutemite
Se basan en leyes de la estaacutetica determinando el estado de equilibrio de un
terreno inestable No tienen en cuenta las deformaciones del terreno Suponen
que la resistencia al corte se moviliza total y concordantemente a lo largo de la
superficie de corte Se pueden clasificar en dos grupos
bull Meacutetodos exactos
bull Meacutetodos no exactos
5122 Meacutetodos exactos
El uso de las leyes de la estaacutetica da una solucioacuten exacta al problema Esto soacutelo es
posible en taludes de geometriacutea sencilla como por ejemplo la rotura planar y la
rotura por cuntildeas
5123 Meacutetodos no exactos
En la mayoriacutea de los casos la geometriacutea de la superficie de rotura no permite
obtener una solucioacuten exacta del problema solamente mediante la aplicacioacuten de las
leyes de la estaacutetica El problema es hiperestaacutetico y ha de hacerse alguna hipoacutetesis
previa que permita su resolucioacuten Se pueden tomar los meacutetodos que consideran el
equilibrio global de masa deslizante hoy en desuso y los meacutetodos de las dovelas
o rebanadas que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas
verticales
39
Los meacutetodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en
Meacutetodos aproximados que no cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica
Se pueden nombrar los meacutetodos de Fellenius Janbu y Bishop simplificado
Meacutetodos completos que cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica Los
conocidos son los meacutetodos de Morgenstern-Price Spencer y Bishop
riguroso
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo
Fuente Propia
A traveacutes de los meacutetodos de caacutelculo se desarrollan los meacutetodos de anaacutelisis para
estabilidad de taludes estos son de gran importancia para el desarrollo a nivel
numeacuterico con el fin de identificar que sucede en un talud al cambiar y modificar
ciertos paraacutemetros geomecaacutenicos mostrados dichos meacutetodos en la tabla 7
Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
40
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
Meacutetodo de
tablas o
nuacutemero de
estabilidad
Para los taludes simples homogeacuteneos se han desarrollado tablas que
permiten un caacutelculo raacutepido del factor de seguridad Existe una gran cantidad
de tablas desarrolladas por diferentes autores La primera de eacutestas fue
desarrollada por Taylor en 1966 Desde entonces han sido presentadas
varias tablas sucesivamente por Bishop y Morgenstern (1960) Hunter y
Schuster (1968) Janbuacute (1968) Morgenstern (1963) Spencer (1967)
Terzaghi y Peck (1967) y otros
Meacutetodo del
talud infinito
El meacutetodo del talud infinito es un sistema muy raacutepido y sencillo para
determinar el factor de seguridad de un talud suponiendo un talud largo
con una capa delgada de suelo en el cual cualquier tamantildeo de columna de
suelo es representativo de todo el talud Las suposiciones del meacutetodo del
talud infinito son las siguientes suelo isotroacutepico y homogeacuteneo talud
infinitamente largo y superficie de falla paralela al talud El principal uso del
meacutetodo del talud infinito es la elaboracioacuten de planos de amenaza a los
deslizamientos mediante el uso de SIGS
Meacutetodo del
bloque
deslizante
El anaacutelisis de bloque puede utilizarse cuando existe a una determinada
profundidad una superficie de debilidad relativamente recta y delgada La
masa que se mueve puede dividirse en dos o maacutes bloques y el equilibrio de
cada bloque se considera independientemente utilizando las fuerzas entre
bloques No considera la deformacioacuten de los bloques y es uacutetil cuando existe
un manto deacutebil o cuando aparece un manto muy duro sobre el cual se
puede presentar el deslizamiento
Meacutetodo
Ordinario o
de Fellenius
Conocido tambieacuten como meacutetodo Sueco meacutetodo de las Dovelas o meacutetodo
USBR Este meacutetodo asume superficies de falla circulares divide el aacuterea
de falla en tajadas verticales obtiene las fuerzas actuantes y resultantes
para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de
Seguridad
41
Meacutetodo de
Bishop
Bishop (1955) presentoacute un meacutetodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta
el efecto de las fuerzas entre las Dovelas El meacutetodo simplificado de Bishop
es uno de los meacutetodos maacutes utilizados actualmente para el caacutelculo de
factores de seguridad de los taludes Aunque el meacutetodo soacutelo satisface el
equilibrio de momentos se considera que los resultados son muy precisos
en comparacioacuten con el meacutetodo ordinario
Meacutetodo de
Janbuacute
El meacutetodo simplificado de Janbuacute se basa en la suposicioacuten de que las
fuerzas entre dovelas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de
cortante Janbuacute considera que las superficies de falla no necesariamente
son circulares y establece un factor de correccioacuten fo El factor fo depende
de la curvatura de la superficie de falla Estos factores de correccioacuten son
solamente aproximados y se basan en anaacutelisis de 30 a 40 casos
Meacutetodo de
Spencer
El meacutetodo de Spencer es un meacutetodo que satisface totalmente el equilibrio
tanto de momentos como de esfuerzos El procedimiento de Spencer
(1967) se basa en la suposicioacuten de que las fuerzas entre dovelas son
paralelas las unas con las otras o sea que tienen el mismo aacutengulo de
inclinacioacuten
Meacutetodo de
Morgenstern
y Price
El meacutetodo de Morgenstern y Price (1965) asume que existe una funcioacuten que
relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas Esta
funcioacuten puede considerarse constante como en el caso del meacutetodo de
Spencer o puede considerarse otro tipo de funcioacuten La posibilidad de
suponer una determinada funcioacuten para determinar los valores de las fuerzas
entre dovelas lo hace un meacutetodo maacutes riguroso que el de Spencer22
Adaptado de Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil
Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
22
Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-
Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
42
52 MARCO LEGAL
Para garantizar la viabilidad normativa del presente trabajo este se encuentra
acorde a los requisitos legales y normativos de la actualidad descritos en la tabla
8 Normatividad
Tabla 8 Normatividad
NORMA OBJETIVO
CE020 Estabilizacioacuten de
Suelos y de Taludes
Establecer las consideraciones teacutecnicas miacutenimas para el mejoramiento requerido de la resistencia de suelos y de la estabilidad de taludes
NSR 2010 Titulo H
Establecer criterios baacutesicos para realizar estudios geoteacutecnicos de edificaciones basados en la investigacioacuten del subsuelo y las caracteriacutesticas arquitectoacutenicas y estructurales de las edificaciones con el fin de proveer las recomendaciones geoteacutecnicas de disentildeo y construccioacuten de excavaciones y rellenos estructuras de contencioacuten cimentaciones rehabilitacioacuten o reforzamiento de edificaciones existentes y la definicioacuten de espectros de disentildeo sismo resistente para soportar los efectos por sismos y por otras amenazas geoteacutecnicas desfavorables
NSR 2010 Titulo A2
Establecer los valores de coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva para el disentildeo la cual se encuentra impliacutecita en la tabla A22 del cual se toma el valor 030 en una escala de 005 hasta 050 desde amenaza siacutesmica baja hasta amenaza siacutesmica alta lo que indica que para efecto de anaacutelisis y disentildeo de taludes se debe emplear la aceleracioacuten maacutexima del terreno en donde el coeficiente siacutesmico de disentildeo para anaacutelisis seudo estaacutetico de taludes KST tiene el valor inferior tomando asiacute el valor de 080 de suelos enrocados y macizos fracturados lo que implica ejecutar una operacioacuten matemaacutetica simple con el fin de obtener el valor de Aa adecuado para el disentildeo dinaacutemico del talud el cual es 025
Fuente Propia
43
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO
En este capiacutetulo se evidencia el enfoque que se expuso en el presente trabajo
dejando claras las caracteriacutesticas principales para el desarrollo de modelos que
presentan el factor de seguridad oacuteptimo en suelos expansivos
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN
El enfoque que se empleo es de caraacutecter cuantitativo y cualitativo ya que se tomoacute
como base de trabajo los estudios realizados en diferentes zonas compuestas por
suelos expansivos
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN
Cuenta con una investigacioacuten tipo analiacutetica ya que se desarrolloacute una matriz de
comparacioacuten entre paraacutemetros mecaacutenicos y geoteacutecnicos comunes en los suelos
expansivos en donde se buscoacute valores miacutenimos de factores de seguridad en
relacioacuten a paraacutemetros de resistencia condiciones geomeacutetricas y factores
naturales
63 DISENtildeO MUESTRAL
Para el trabajo se tiene en cuenta un talud con caracteriacutesticas geoteacutecnicas y
geomeacutetricas establecidas en donde ejecutoacute una comparacioacuten del comportamiento
del talud con respecto a valores de factor de seguridad para lo cual se realiza un
anaacutelisis de la poblacioacuten universo muestra individuo y variables descritas a
continuacioacuten
Poblacioacuten universo 631
La poblacioacuten universo de la investigacioacuten se basa en el anaacutelisis de taludes ya que
es el elemento maacutes grande del cual se tomoacute la muestra con el fin de ejecutar un
44
anaacutelisis de paraacutemetros geomecaacutenicos sobre el comportamiento de la presencia
de suelos expansivos frente a las variables correspondientes
Muestra 632
Consiste en 264 modelos ejecutados en SLIDEreg de donde se tienen en cuenta
valores de Ru= 00 025 y 05 con alturas de 10 m y 20 m aacutengulos de inclinacioacuten
de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm asiacute mismo se realizan 120 modelos adicionales en donde la
altura es de 10 m variando el valor de Ru=00 01 025 05 y aacutengulos de
inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm en donde se tiene en cuenta los paraacutemetros
geomecaacutenicos y geomeacutetricos para diferentes tipos de suelos expansivos
correspondientes
CH Arcilla de alta plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con alta
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
mayor de 50 tacto suave23
CL Arcilla de baja plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con baja
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
menor de 50 tacto suave24
MH Limo de alta plasticidad suelo de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse ante su esfuerzo mecaacutenico limite liquido menor de 50
tacto aacutespero25
23
El sistema unificado de clasificacioacuten de los suelos [en liacutenea]lt
ftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt [citado en 3 de noviembre del
2015]
24 Ibiacuted Cuadro 21
25 Ibiacuted Cuadro 21
45
Individuo 633
Taludes con presencia de suelos expansivos como arcilla de baja alta plasticidad
y limos de alta plasticidad en general
Variables 634
Caracteriacutesticas del suelo del talud humedad del suelo que conforma el talud
inclinacioacuten de talud aacutengulo de friccioacuten del suelo cohesioacuten nivel freaacutetico factor
de seguridad Tabla 9 Variables
Tabla 9 Variables
Fuente Propia
Se establece que para la medicioacuten de variables en el problema de investigacioacuten
del proyecto que se desarrolloacute el cual estaacute basado en el ANAacuteLISIS DE
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
EXPANSIVOS Los meacutetodos que se desarrollan en la estabilizacioacuten de taludes
son
VARIABLES
CUALITATIVAS Tipo de suelo CH CL y MH
CUANTITATIVAS
Humedad del suelo que conforma el talud ndash Nivel Freaacutetico
Inclinacioacuten de talud
Altura de talud
Angulo de friccioacuten
Cohesioacuten
Factor de seguridad
Sismo
46
Meacutetodo de Bishop simplicado a pesar de solo satisface el equilibrio de
momentos y no cumple con la totalidad de las ecuaciones de la estaacutetica
presenta exactitud frente a los resultados que se obtienen en comparacioacuten
con el meacutetodo ordinario de igual manera utiliza las dovelas teniendo en
cuenta las fuerzas entre las mismas y es uno de los maacutes utilizados para
calcular el factor de seguridad de los taludes la principal restriccioacuten del
meacutetodo es que solo considera las superficies circulares (Jaime
Suarez2002)
De igual manera se ejecuta el respectivo anaacutelisis por medio de Software Slidereg
en el cual se tienen en cuenta para los modelos los paraacutemetros descritos
anteriormente
Slidereg ya que es un programa con anaacutelisis de la filtracioacuten incorporando
elementos finitos y funciones que define directamente el usuario de esta
manera el estudio de sensibilidad permite determinar el efecto de las
variables en el factor de seguridad de un talud
64 FASES DEL PROYECTO
A traveacutes de las fases es posible identificar el orden cronoloacutegico en el que se
desarrolla el presente documento para cumplir el objetivo general que es analizar
el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos por
suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo que se
describen a continuacioacuten
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas
47
Actividad 1 Consultar en diferentes fuentes de informacioacuten definiciones de
los paraacutemetros geomecaacutenicos de suelos expansivos que seraacuten estudiados
Actividad 2 Investigacioacuten del subsuelo y conocimiento determinado de
suelos expansivos referenciando los meacutetodos de exploracioacuten
Actividad 3Identificacioacuten problemas que ocasionan estos materiales con
presencia taludes ante solicitaciones de gravedad infiltracioacuten sismo
escorrentiacutea y otros
Actividad 4 Recopilacioacuten de informacioacuten secundaria referente al
comportamiento de estos materiales
Actividad 5 Documentacioacuten de antecedentes referentes a deslizamientos y
amenazas que presente un talud compuesto por suelos expansivos
identificando coacutemo se estudian los deslizamientos y los problemas
geoteacutecnicos que se presentan en estos materiales
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 642
Actividad 1 Definicioacuten de los paraacutemetros a estudiar para la modelacioacuten en
taludes
Actividad 2 Elaboracioacuten de matriz para la definicioacuten del modelo
geoteacutecnico el desarrollo y respuesta del mismo
48
Actividad 3Realizar la instruccioacuten en programas de modelacioacuten para
estabilidad de taludes
Actividad 4 Modelacioacuten geoteacutecnica mediantes equilibrio liacutemite para las
diferentes condiciones de escenarios descritos en la matriz
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 643
Actividad 1Generacioacuten de graacuteficas de resultados de las modelaciones
para la revisioacuten del factor de seguridad
Actividad 2Anaacutelisis del comportamiento de los paraacutemetros geoteacutecnicos
definidos teniendo como base la modelacioacuten realizada en diferentes
escenarios
Actividad 3 Generacioacuten de graacuteficas finales de respuesta del
comportamiento de los paraacutemetros geomecaacutenicos
Actividad 4 Anaacutelisis de resultados respecto a la generacioacuten de graacuteficas
Actividad 6 Generacioacuten y redaccioacuten del documento final
Actividad 7 Generacioacuten de Articulo
49
7 DESARROLLO METODOLOacuteGICO
Por medio de la descripcioacuten detallada de conceptos se obtiene la identificacioacuten de
suelos expansivos a estudiar que como se menciona en el documento son
materiales compuestos por arcillas de alta y baja plasticidad y limos de alta
plasticidad en donde se identifica las caracteriacutesticas mecaacutenicas geoteacutecnicas
fiacutesicas que son claves al momento del anaacutelisis de cada uno de los modelos a
ejecutar en el software Slidereg con el fin de conocer el comportamiento de los
suelos en mencioacuten cuando se tienen variables de sismo nivel freaacutetico y
geometriacutea correspondiente a diferentes aacutengulos de inclinacioacuten 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
y una altura de 10 m 20 m y variaciones con respecto al paraacutemetro Ru de 00
01 025 04 05 en condiciones estaacutetica y dinaacutemica
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS
Se realiza una descripcioacuten detallada acerca de los suelos expansivos que
conforman un talud de los cuales se analiza el factor de seguridad como lo son
arcillas de baja y alta plasticidad y limos de alta plasticidad donde se identifican
las caracteriacutesticas que componen cada uno de estos suelos y la diferencia de los
mismos para su respectiva identificacioacuten descritos en la tabla 10 Descripcioacuten de
suelos expansivos
50
CH CL ML
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGAacuteNICO DE BAJA PLASTICIDAD
Arcillas inorgaacutenicas de alta plasticidad arcillas
grasas
Arcillas inorgaacutenicas de plasticidad baja a mediana
arcillas gravosas arcillas arenosas arcillas limosas
arcillas magras
Limos inorgaacutenicos y arenas muy finas harina de
roca arenas finas limosas o arcillosas o limos
arcillosos de ligera plasticidad
Suelo de grano fino
Diaacutemetro de las partiacuteculas comprendido entre
005 mm y 0005 mm
Color variacutea desde gris claro a muy oscuro
No suelen tener propiedades colidales
A partir de 0002 mm y a medida que
aumenta el tamantildeo de las partiacuteculas se
va haciendo cada vez mayor la
proporcioacuten de minerales no arcillosos
Partiacuteculas forma redondeada
Tacto aacutespero
Mayor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de masa
Se secan con relativa rapidez y no se
pegan a los dedos
Los terrones secos tienen una cohesioacuten
apreciable pero se pueden reducir a
Pueden ser colapsables
Fuerte olor a tierra Ligero olor a tierra Olor no caracteriacutestico a menudo ninguno
Consistencia alta Menor consistencia que las CH Consistencia baja
Estructura blanda Estructura menos blanda que las CH Estructura blanda
Alta capacidad de deformarse sin agrietarse ante
un esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten
al retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse ante un
esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten al
retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse
ante un esfuerzo mecaacutenico conservando la
deformacioacuten al retirarse la carga
Plaacutesticos Plaacutesticos Ligeramente plaacutesticos
Liacutemite liquido mayor de 50 arcillas de alta
contraccioacuten-dilatacioacuten Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos
Los terrones secos se pueden partir
pero no reducir a polvo con los dedos
No son colapsables
Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosos
Partiacuteculas forma laminar
Tacto suave
Menor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de
superficie
GRAacuteFICO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS DE GRANO FINO
SUELOS EXPANSIVOS
Son suelos que al ser humedecidos sufren una expansioacuten que pone en peligro a las estructuras cimentadas sobre ellos
Su comportamieno se caracteriza principalmente por
- La contraccioacuten debido al secado
- La expansioacuten al humedeserce
- Desarrollo de presiones de expansioacuten cuando estaacute confinado y no puede expandirse
Suelen tener propiedades colidales
Suelo de grano fino suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio
hidratados procedentes de la descomposicioacuten de rocas que contienen feldespato como el granito
Diaacutemetro menor de 0005 mm
Presenta diversas coloraciones seguacuten las impurezas que contiene desde el rojo anaranjado hasta el
blanco cuando es pura
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos
Fuente Adaptado de
[En liacutenea] ltftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt[citado en 15 de
octubre del 2015]
[En liacutenea] lt httpesslidesharenetfrkfirtinsuelos-expansivosgt[citado en 15 de octubre del 2015]
[En liacutenea] lthttpwwwfceiaunreduargeologiaygeotecniaDiferenciasgt[citado en 15 de octubre del 2015
51
UNIDAD SUELO-1 SUELO-2 SUELO-3
71 63 43
32 37 24
39 26 19
31 26 23
KNm3 132 139 146
KNm3 141 146 151
24 22 20
CH MH CL
CONTENIDO INICIAL DEL AGUA
CLASIFICACIOacuteN DEL SUELO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
LIMITE DE CONSISTENCIA
COMPACTACIOacuteN
OPTIMO CONTENIDO DE AGUA
DENSIDAD LIBRE MAacuteXIMA
PROPIEDADES FISICAS INALTERADAS DE LA MUESTRA DE SUELO
DENSIDAD LIBRE INICIAL
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLAacuteSTICO
INDICE PLAacuteSTICO
PROPIEDADES
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH
Es necesario conocer las propiedades fiacutesicas de los suelos descrita en la tabla
11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos ya que de estas depende el
comportamiento mecaacutenico que lo mismos presentan ante factores intriacutensecos y
extriacutensecos como los son lluvia y sismo siendo estos importantes al momento de
observar el proceso de remocioacuten en masa de un talud cuando se afecta por estos
factores
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A traveacutes del estudio realizado en el libro expansive Soils se obtienen este tipo de
propiedades fiacutesicas de los materiales que en el presente proyecto se desarrollan
descritos en la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos en el
estudio ejecutado se describe sobre los avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento en suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
52
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar los inconvenientes que la presencia de estos
puedan generar en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada
por la expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten o
dilatacioacuten que presentan debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel
freaacutetico
Por lo tanto el limite liacutequido que presentan los tipos de suelos analizados es para
un CH de 71 MH de 63 y CL de 43 lo que indica que este es el porcentaje
en el que cada uno de estos suelos pasa de un estado liacutequido a uno plaacutestico Es
asiacute como se observa que existe maacutes probabilidad de que ocurra este fenoacutemeno
con la arcilla de alta plasticidad
Con respecto al liacutemite plaacutestico se observan valores obtenidos para un CH 32
MH 37 y 24 que es cuando el suelo pasa de un estado semisoacutelido a uno
plaacutestico siendo mayor para el limo de alta plasticidad
De tal manera que se observa el Iacutendice de plasticidad bajo como por ejemplo del
19 para una arcilla de baja plasticidad la cual significa que un pequentildeo
incremento en el con tenido de humedad del suelo lo transforma de semisoacutelido a
la condicioacuten de liacutequido es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad
Por el contrario un iacutendice de plasticidad alto como por ejemplo del 39
perteneciente a la arcilla de alta plasticidad indica que para que el suelo pase del
estado semisoacutelido al liacutequido se le debe agregar gran cantidad de agua26
Tambieacuten se obtiene el contenido oacuteptimo de agua el cual permite la obtencioacuten de la
26
Liacutemites de Atterberg Iacutendice de Plasticidad Fluidez Retraccioacuten [en liacutenea]lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
53
densidad maacutexima mediante la compactacioacuten que seguacuten tabla 11 Es 31 para un
CH 26 para el MH y 23 para el CL Siendo este valor inversamente
proporcional a la densidad libre maacutexima debido a que entre mayor es el oacuteptimo
contenido de agua menor es la densidad maacutexima
De esta manera se obtienen las propiedades fiacutesicas de los suelos estudiados
haciendo la respectiva clasificacioacuten de los materiales correspondientes a suelos
expansivos
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS
Con el fin de lograr la identificacioacuten de cada uno de los materiales se seleccionan
los paraacutemetros geomecaacutenicos siendo los mismos importantes pues de estos
depende el comportamiento y el valor de factor de seguridad del talud cuando se
relacionan con paraacutemetros geomeacutetricos y de Ru ante factores estaacuteticos y
dinaacutemicos que se describen en los siguientes numerales a partir del 731
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 731
La seleccioacuten de paraacutemetros a raiacutez de la investigacioacuten realizada se consolidoacute
teniendo en cuenta los siguientes datos bibliograacuteficos
En el libro Expansive Soil se observa la descripcioacuten de un estudio donde se
evaluacutea la presioacuten de hinchamiento del suelo el potencial de hinchamiento y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada de muestras alteradas e inalteradas de
suelos expansivos De donde se describen tres tipos de suelos seleccionados de
la parte norte de Jordania con una amplia gama de contenido de arcilla
caracterizando las propiedades fiacutesicas de estos suelos como la gradacioacuten el
liacutemite plaacutestico y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco
54
maacuteximo y el contenido oacuteptimo de agua de donde se tienen en cuenta las normas
ASTM para consolidar los resultados en la Tabla 11 del presente documento
Razoacuten por la cual se toman valores de peso especiacutefico para MH CH y CL ya que
el estudio que se explicoacute anteriormente estuvo basado en muestras de suelos
inalteradas en zonas altamente arcillosas con caracteriacutesticas similares a las que
se analizan
Otro de los estudios realizados en el libro de Expansive Soils trata de una serie
completa de pruebas de la compresioacuten inconfinada (UC) no consolidado no
drenado (UU) triaxiales y columna resonante (RC) en donde se realizan sobre
muestras estabilizadas quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del
sureste de Arlington Texas despueacutes de haber sido sometido a ciclos repetitivos
de humectacioacuten-secado (WD) inducido artificialmente en el laboratorio Se
utilizan los resultados para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo
plazo la rigidez y unidimensional (1-D) hinchazoacuten y contraccioacuten como respuesta
del suelo tratado incluyendo la resistencia a la compresioacuten inconfinada
paraacutemetros de resistencia al corte sin drenaje moacutedulo de corte dinaacutemico y
material de amortiguacioacuten
Los Meacutetodos de estabilizacioacuten incluyen sulfato resistente cemento Tipo V bajo en
calcio clase F de ceniza volaacutetil cal viva y se mezcla con fibras de polipropileno
Dichas muestras de suelo tratadas se curaron durante 7 diacuteas y despueacutes se
sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la prueba UC UU y RCl Un
ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua potable en la sala
de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a 140 degF En cambio
las caacutemaras wd permiten el monitoreo de 1-D expansioacuten-contraccioacuten que brinda
respuesta durante wd repetido Una dosis por peso 10 de cemento Tipo V
parece dar mejor rendimiento general bajo wd ciacuteclico
55
Es de esta manera como se busca resumir los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados descritos en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
natural antes de ser tratado En la misma tabla indicada pero en la fuente
bibliograacutefica se presentan los demaacutes resultados como resumen de los paraacutemetros
de resistencia al cortante (c-ɸ) obtenidos de ensayos triaxiales UU que en este
caso se omitieron debido a que nuestro estudio estaacute basado en suelos expansivos
sin tratar
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no
drenado Suelo natural antes de ser tratado
Nuacutemero de
ciclos w-d C (psi) C (KPa)
de
cambio
ɸ
(deg)
de
cambio
Suelo
Natural
0 68 469 00 06 00
1 65 449 - 44 06 00
2 67 462 - 15 06 00
4 63 435 - 74 06 00
8 69 476 + 15 06 00
16 69 473 + 07 06 00
32 69 476 + 15 06 00
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 129 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681
Los valores que se encuentran resaltados en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
56
natural antes de ser tratado fueron utilizados en el trabajo para los paraacutemetros del
material arcilla de alta plasticidad (CH)
A continuacioacuten se presentan las figuras correspondientes a los efectos del
contenido inicial de agua en la presioacuten por hinchamiento para obtener los valores
de cohesioacuten en cada uno de los tipos de suelos estudiados para ello se tiene en
cuenta las propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos resumidos en la tabla
11 donde se especifica el contenido inicial () del agua asiacute CH 24 MH 22 y CL
20 valores con los que se ingresa en el eje vertical para las figuras
correspondientes al suelo compuesto por limo de alta plasticidad y arcilla de baja
plasticidad analizado en condiciones estaacuteticas (la condicioacuten dinaacutemica se tendraacute
en cuenta en el proceso de modelacioacuten)
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH
Tomado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 134 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
57
A partir de la figura 3 se obtiene un valor de
y a su
vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla
inorgaacutenica de alta plasticidad
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para CL
Tomado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 135 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A partir de la figura 4 se obtiene un valor de
y a su vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla inorgaacutenica de alta
plasticidad
En la investigacioacuten se encuentran diferentes paraacutemetros para distintos tipos de
suelos de los cuales se analiza y compara con la fuente del libro de Expansive
58
Soils seleccionando los apropiados para ejecutar la modelacioacuten en el software
Slidereg en la Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos en el cual se
evidencian valores comparados con la fuente confiable del libro
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Consistencia
Angulo de friccioacuten
interna
ɸ en grados
Peso
especiacutefico
Kgcm2
Arena gruesa
o arena con
grava
Compacta 40 2250
Suelta 35 1450
Arena media Compacta 40 2080
Suelta 30 1450
Arena limosa
fina o limo
arenoso
Compacta 30 2080
Suelta 25 1365
Limo uniforme Compacta 30 2160
Suelta 25 1365
Arcilla-limo Suave a
mediana 20 1440-1920
Arcilla limosa Suave a
mediana 15 1440-1920
Arcilla Suave a
mediana 01 1440-1920
Fuente Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos [En liacutenea] lt httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-
diferentes-propiedades-de-los-suelosgt [citado en 11 de noviembre del 2015]
59
7311 Paraacutemetros para limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Este tipo de materiales cuentan con suelos de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse antes los esfuerzos mecaacutenicos contando con un liacutemite
liquido menor de 50 Los paraacutemetros para este material se establecen en la tabla
13 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
LIMO INORGAacuteNICO DE ALTA PLASTICIDAD
(MH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 15 146
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se toman de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten correspondiente al efecto del contenido de agua inicial en la
presioacuten de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para MH En
donde se observa la seleccioacuten del paraacutemetro en la graacutefica 3 El efecto del
contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH Ingresando en el eje horizontal con el contenido inicial
del agua descrito en la tabla No 11 Propiedades Fiacutesicas de los suelos
expansivos en la cual se describe un contenido de agua inicial de 22
que para condicioacuten estaacutetica es de 140 Kpa como presioacuten de hinchamiento
60
que permite obtener el valor de la cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten los datos obtenidos de la web ingeniero civil
denominada Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten de la tabla 13
Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos que se encuentra en un blog
peruano creado en agosto de 2010 por John J Rojas se identifica como
un portal que dedica a compartir y difundir temas relacionados con la
ingenieriacutea civil desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico Se describe en el paacuterrafo introductorio del numeral 73 de
seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos y es tomado de la tabla 11
Propiedades fiacutesicas de los suelos
7312 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
La arcilla de alta plasticidad pertenece a suelos inorgaacutenicos de grano muy fino
con baja capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico su
liacutemite liacutequido es mayor a 50 presentando asiacute los paraacutemetros geomecaacutenicos a
continuacioacuten para el respectivo material descrito en la tabla 15 Paraacutemetros
geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
61
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA
PLASTICIDAD
(CH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
469 06 141
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se tomaron de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten se encuentran resumidos los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados el anaacutelisis es efectivo por que el suelo se
presenta en estado natural En la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al
corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural
antes de ser tratado
Aacutengulo de friccioacuten tomado para el suelo natural sin ninguacuten tipo de
estabilizacioacuten ni alteracioacuten en el contenido del mismo basada en las
condiciones iniciales de suelos expansivos despueacutes de haber sido sometida
dicha muestra a ciclos repetitivos de humectacioacuten-secado (WD) inducido
artificialmente en el laboratorio para identificar el comportamiento del mismo
en cuanto a la resistencia al cortante donde el aacutengulo de friccioacuten interna
determina su comportamiento junto con la cohesioacuten resumidas dichas
62
Condiciones en la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para
ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural antes de ser
tratado
Peso especiacutefico este valor se encuentra descrito en el paacuterrafo introductorio
de seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos Tabla 11 Paraacutemetros fiacutesicos de
los suelos expansivos
7313 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
La arcilla de baja plasticidad hace parte de los suelos inorgaacutenicos de grano muy
fino con baja capacidad de deformacioacuten sin sufrir de grietas ente un esfuerzo
mecaacutenico el liacutemite liquido es menor a 50 de esta manera en la tabla 16
Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) se
describen los paraacutemetros a considerar para la modelacioacuten ejecutada
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA
PLASTICIDAD
(CL)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 01 151
Fuente propia
63
Los paraacutemetros relacionados se toman de distintas fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten corresponde al efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten
de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para CL Ingresando en
el eje horizontal con el contenido inicial del agua descrito en la tabla 11
Propiedades Fiacutesicas de los suelos expansivos se describe un contenido de
agua inicial de 20 que para condicioacuten estaacutetica muestra un valor de 140
Kpa como presioacuten de hinchamiento que permite obtener el valor de la
cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten Se obtiene de la web del ingeniero civil denominada
Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten un blog peruano creado en
agosto de 2010 por John J Rojas descrito en la tabla 13 Paraacutemetros de
diferentes tipos de suelos en donde se tiene en cuenta el portal que se
dedica a compartir y difundir temas relacionados con la ingenieriacutea civil
desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico descrito en el paacuterrafo introductorio de seleccioacuten de
paraacutemetros geomecaacutenicos de la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos
expansivos
64
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 732
Para la seleccioacuten del valor cuando hay presencia de sismo en la modelacioacuten del
talud se tiene en cuenta la norma NSR-10 TITULO A de donde se selecciona el
valor del coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva el cual
se determina en su maacuteximo valor de amenaza siacutesmica igual a 030 descrito en la
Tabla A23-1 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y de Av descrito en la
figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y Av
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo A Capitulo A2 Zona de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de
disentildeo
El valor que se selecciona en el paacuterrafo anterior para una amenaza siacutesmica alta
se multiplica por el coeficiente Kst que se utiliza para el anaacutelisis y disentildeo de
taludes en donde se debe incluir la aceleracioacuten maacutexima del terreno teniendo en
cuenta el tipo de material terreo que se manejaraacute en el presente proyecto Tomado
de la tabla H52-1 de la norma sismo resistente Observado en la figura 6
Valores de Kst A max
65
Figura 6Valores de Kst A max
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5Excavaciones y estabilidad de taludes
Seleccionando el valor que pertenece a suelos enrocados y macizos muy
rocosos con un Kst de 080 ya que no se ejecutoacute ninguacuten anaacutelisis de amplificacioacuten
en los suelos expansivos de estudio
El valor se aproxima de 024 a 025 como coeficiente de aceleracioacuten de amenaza
siacutesmica en el disentildeo de los taludes en el software Slide reg
De tal manera que para el anaacutelisis de factor de seguridad de los taludes se tiene
en cuenta el capiacutetulo H en donde se especifican los valores maacuteximos para que el
talud se encuentre en amenaza por un fenoacutemeno de remocioacuten en masa El cual se
puede observar el la figura 7Factores de seguridad indirectos miacutenimos
66
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5 Excavaciones y estabilidad de taludes
7321 Paraacutemetro de presioacuten de poros Ru
Teniendo en cuenta que el Ru es una relacioacuten de poros y esfuerzo vertical se
seleccionan valores de 00 01 025 04 y 05 en donde a medida que aumenta
dicho valor indica el nivel de agua contenido en el suelo del talud para el valor
00 el suelo se encuentra de estado natural-huacutemedo en 025 es un nivel de agua
medio en el talud y 05 talud saturado
67
Paraacutemetros geomeacutetricos 733
En la etapa de recoleccioacuten de datos se investigaron tesis relacionadas con el tema
de donde se tuvo en cuenta el documento desarrollado sobre Influencia Del
Abatimiento Del Nivel Freaacutetico En El Caacutelculo del Factor De Seguridad Para La
Estabilidad De Taludes realizado por el Ingeniero Leonardo Leuro Antildeo
2015Universidad La Gran Colombia
Para lo cual se seleccionan diferentes alturas en la geometriacutea del talud y aacutengulos
de inclinacioacuten estudiados en el proyecto descrito anteriormente los cuales fueron
Aacutengulos 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Alturas de talud de 10 m y 20 m
74 DESARROLLO DEL MODELO
A traveacutes de los paraacutemetros geomecanicos y geomeacutetricos anteriormente descritos
se disentildean taludes con diferentes condiciones con el fin de lograr un anaacutelisis
completo de lo que se presenta en campo descrito en la tabla 17 Matriz de
disentildeo
68
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
Fuente propia
De la cual se generan los modelos teniendo en cuenta los diferentes aacutengulos y
alturas en estado dinaacutemico y estaacutetico para diferentes valores de Ru de donde se
obtienen valores de factor de seguridad para el material de Arcilla de alta
plasticidad limo de alta plasticidad y arcilla de baja plasticidad en el cual se
evidencian los paraacutemetros geomecaacutenicos descritos a partir del numeral 73
Paraacutemetros geomecaacutenicos del presente documento
000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447 2416 2184 1937 1471 1307 1139 1468 1466 1465 0909 0907 0906
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670 1575 1365 1146 0993 0851 0705 0733 0731 0729 0492 0490 0489
10 1991 1983 1975 1404 1398 1392 2007 1817 1624 1380 1246 1111 1377 1376 1374 0882 0881 0880
20 1008 1000 0991 0677 0670 0664 1246 1073 0902 0887 0756 0626 0689 0687 0686 0466 0464 0463
10 1810 1804 1798 1345 1340 1336 1654 1479 1319 1248 1131 1015 1251 1250 1248 0868 0867 0866
20 0958 0951 0945 0649 0644 0638 1011 0858 0705 0763 0646 0527 0623 0622 0621 0460 0459 0458
10 1548 1542 1536 1242 1238 1233 1306 1141 0981 1107 0988 0858 1069 1068 1067 0831 0830 0830
20 0779 0773 0767 0587 0582 0578 0797 0640 0485 0648 0534 0406 0536 0535 0534 0403 0402 0402
30
45
60
75
RuALTURAANGULO
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
Ru Ru
0
Ru
025
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
C (KNM2) φ γ(KNM2)
35 15 146
Ru Ru
C (KNM2) φ γ(KNM2)
CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
35 01 151
69
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 741
Se realiza el disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en
condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 0 en
donde se indica una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Que se
observa en la figura 8Modelo en Slidereg para un CH de donde se obtiene el valor
de factor de seguridad que se muestra en la figura 9 Factor de seguridad CH
estaacutetico
Figura 8 Modelo en slide para un CH
Fuente Propia
70
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico
Fuente Propia
De esta manera se realiza este procedimiento para los materiales de MH Limo de
alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
Se lleva acabo el disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de aacutengulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico brindando asiacute un
factor de seguridad que se muestra en la figura 11 Factor de seguridad para MH
estaacutetico
71
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad para dicho modelo descrito en la
figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Fuente propia
72
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12Modelo de Slidereg para un CL estaacutetico
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad del talud que se observa en la figura
13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Fuente propia
73
En el proceso de modelacioacuten se incluye la condicioacuten de sismicidad en donde en el
Software SLIDEreg se agrega en LOADING seismic load y se coloca el valor de
025 como coeficiente de amenaza siacutesmica Aa
De esta manera se tiene en cuenta la condicioacuten dinaacutemica la cual se realiza en el
disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 para una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Observado en la figura
14Modelo en Slide para un CH dinaacutemico
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico
Fuente Propia
74
Del anterior disentildeo se logra obtener el factor de seguridad que se observa en la
figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Fuente Propia
Es asiacute como se lleva a cabo este procedimiento para los materiales de MH Limo
de alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
El disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 con una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se observa en la figura
16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
75
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad observado en la figura 17 Factor de
seguridad para MH dinaacutemico
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico
Fuente propia
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 0 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 025 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12 Modelo de Slide para un CL estaacutetico el cual se observa
76
en la Figura 18 Modelo de Slide para un CL dinaacutemico
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad del talud en condicioacuten de sismo visto
en la figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Fuente propia
77
De esta manera se modifican en el modelo los valores de Ru=0 025 y 05 y las
alturas de 10m y 20m con aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
relacionaacutendolos entre siacute obteniendo el factor de seguridad para condiciones
estaacuteticas en 144 modelos en condiciones estaacuteticas y dinaacutemicas En la segunda
modelacioacuten se realiza el mismo procedimiento con 120 modelos incluyendo
valores de Ru= 01 y 04 con una altura especifica de 10 metros para diferentes
aacutengulos
De donde se obtiene como resultado la matriz de factores de seguridad que se
muestra en la tabla 17 Valores de factor de seguridad
Tabla 17Valores de factor de seguridad
Fuente propia
De estos resultados se efectuacutea el anaacutelisis de graacuteficas que se observa en el
numeral 8anaacutelisis de resultados comparando el factor de seguridad vs el aacutengulo
para diferentes alturas del talud con presencia de CH MH y CL en
condiciones dinaacutemicas y estaacuteticas como se muestra en la figura 20 Comparacioacuten
de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para Ru=00
CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670
0
Ru
025
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
30
RuALTURAANGULO
78
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten
estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
Fuente propia
De esta manera para los 120 modelos donde los Ru= 00 01 025 04 y 05 con
una altura de 10 metros y aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75 ordm se
elaboran las graacuteficas en Excel con el fin de hacer una comparacioacuten de cada uno
de los aacutengulos con respecto al valor de factor de seguridad vs ru en estado
dinaacutemico y estaacutetico que se muestra en la Figura 21 Graacutefica Factor de seguridad
Vs Ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y altura de 10 m en CH
MH y CL de esta manera se estudian los comportamientos respectivamente en el
iacutetem 8anaacutelisis de resultados
79
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente propia
Con el fin de obtener la cohesioacuten a la que un talud compuesto por suelos
expansivos con aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm a una altura de 10 metros cumple
con los factores de seguridad expuestos en el numeral 732 Seleccioacuten de valores
de sismo y ru en estado estaacutetico y dinaacutemico se ejecuta una sensibilizacioacuten del
paraacutemetro cohesioacuten para los diferentes modelos modificando asiacute el valor de ru
en 00 01 025 04 y 05 siendo 00 la condicioacuten seca o en estado natural del
suelo 025 condicioacuten intermedia de nivel de agua en el talud y 05 condicioacuten de
saturacioacuten mientras que 01 y 04 son valores intermedios
Se realiza el siguiente procedimiento con cada uno de los modelos en donde se
encuentra una modificacioacuten de la geometriacutea (aacutengulo) el valor ru y su condicioacuten
estaacutetica o dinaacutemica
80
1 Se toma como ejemplo el modelo de talud para10 metros con un aacutengulo
de 30ordm con material de arcilla de alta plasticidad se verifica que se
encuentre la seleccioacuten en anaacutelisis Project settings statistics y se
selecciona sensitivity analysis Como se muestra en la figura 22
Sensitividad de paraacutemetros
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros
Fuente propia
2 Se seleccionan las variables y se escriben los valores de cohesioacuten que en
este caso son de 469 knm2 para CH 35 knm2 para CL y 35 knm2 para
MH en cada uno de los modelos correspondientes a cada material y con
su respectiva geometriacutea determinando los rangos de las variables que en
este caso se manejan 20 por encima y por debajo para el CH y 30 por
encima y por debajo para el CL y MH como se muestra en la figura 23
Rangos de variables
81
Figura 23 Rangos de variables
Fuente propia
3 Se corre el modelo con el fin de obtener la falla que presenta el talud y
cuando se obtiene se da clic en statistics sensitivity analysis plot se
selecciona cohesioacuten y el meacutetodo que para este caso es bishop y se da clic
en plot de donde se obtiene la graacutefica factor de seguridad vs cohesioacuten Que
se muestra en la figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud
compuesto por CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
82
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con altura de
10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
Fuente propia
4 La figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por
CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm se exporta a Excel y
se realiza el mismo procedimiento para los aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
para cada uno de los materiales CH MH y CL de donde se modifica la
condicioacuten de ru y de estaacutetico a dinaacutemico de donde se obtienen las graacuteficas
correspondientes a cada uno de los aacutengulos por cada material Como se
muestra en la figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH CL y
MH con altura de 10 m con ru=00 01025 04 y 05 en condicioacuten
estaacutetica y seudo-estaacutetica
83
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con ru=00 en
condicioacuten estaacutetica
Fuente propia
5 Al obtener las graacuteficas para CH MH y CL con condiciones de ru=00 01
025 04 y 05 se traza un liacutenea horizontal en el valor de 15 para condicioacuten
estaacutetica y en 105 para condicioacuten dinaacutemica que se describen en la tabla
7Factores de seguridad indirectos miacutenimos tomados de la NSR-10 y una
liacutenea vertical que intersecta con la liacutenea horizontal con las pendientes
correspondientes a cada uno de los valores de factor de seguridad vs
cohesioacuten que se realiza para cada aacutengulo encontrando asiacute el valor de
cohesioacuten de tal manera que los mismos indican que para las condiciones
geomeacutetricas descritas los valores de cohesioacuten que se muestran en el
anexo 4 Valores de cohesioacuten para suelos expansivos cuando se tiene un
84
valor menor al mostrado en la tabla los valores de factor de seguridad no
cumplen y es necesario realizar una modificacioacuten en el talud con el fin de
obtener estabilidad en la estructura El procedimiento para la obtencioacuten del
valor de cohesioacuten se realiza como se muestra en la figura 26 Valor de
cohesioacuten para un CH con ru=00 en condicioacuten estaacutetica para aacutengulos de
30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y 05 en
condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
85
86
87
88
89
Fuente propia
6 A traveacutes de este proceso se obtienen los resultados que se muestran en el
anexo 4Valores de cohesioacuten para suelos expansivos
90
8 ANALISIS DE RESULTADOS
A continuacioacuten se presentan los resultados y anaacutelisis de comportamiento de los
taludes compuestos por suelos expansivos Dichos resultados se asocian al valor
de factor de seguridad de los modelos disentildeados en el software Slidereg de
acuerdo a paraacutemetros geomecaacutenicos descritos en el titulo 73 Seleccioacuten de
paraacutemetros encontrados en el libro Expansive Soils de Amer Ali Al-Rawas amp
Mattheus FA Goosen de tal manera que los resultados se asocian a diferentes
condiciones como los son dinaacutemicos y estaacuteticos y cambios en el valor de ru con
respecto a alturas de 10 metros y 20 metros
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=0 en
CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 27 se analiza un comportamiento la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten en un 28 para estado
estaacutetico dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
91
expansivos siendo evidente que la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) tanto
para la altura de 10m como para la de 20m presenta un porcentaje de reduccioacuten
136 y 212 en comparacioacuten a los demaacutes tipos de suelos expansivos debido
a que tiene menor consistencia
Por lo tanto el limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor
aacutengulo de inclinacioacuten muestra un factor de reduccioacuten de 59 sin embargo su
factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada
a medida que aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas es menor
al aumentar la inclinacioacuten del talud FS disminuyendo de manera leve
En la graacutefica se evidencia que cerca de los 60deg de inclinacioacuten del talud para una
altura de 20 m MH y CH se comportan de manera similar con un factor de
seguridad de 101 y 096 equivalente al 55 respectivamente lo que indica
inestabilidad seguacuten la norma NSR-10 Tiacutetulo H Tabla H69-1 donde se especifica
que la estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetico debe ser
de 150 Mientras que en un talud de 10 m cerca de los 45deg de inclinacioacuten tanto el
MH como el CH presentan un comportamiento similar con un factor de seguridad
de 2 cumpliendo el factor miacutenimo que rige la Norma NSR-10
Al observar en la graacutefica la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) en un talud
de 20 m a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten presenta inestabilidad auacuten en condicioacuten
estaacutetica y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru
Finalmente en condiciones estaacuteticas y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru el material
oacuteptimo es CH solo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier
inclinacioacuten muestra estabilidad con un factor de reduccioacuten del 28 Cumpliendo
con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
92
Es asiacute como es preciso aclarar que en cualquier caso el FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 28 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y el paraacutemetro ru dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un talud de altura de 20m
cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 correspondiente a
150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo representa con
paraacutemetro ru el cual afecta de manera directa al talud
Uno de los factores de gran importancia es la geometriacutea que representa el talud
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
93
debido a que para un talud de 10 m hasta 20 metros el factor de reduccioacuten oscila
entre el 40 al 60
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo su factor de seguridad
disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada a medida que
aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas (C) es menor al
aumentar la inclinacioacuten del talud el FS disminuye de manera leve Este
comportamiento continua siendo caracteriacutestico de este material pues al ser
comparado con la Figura 27 el material es inadecuado no solo al aumentar la
inclinacioacuten sino tambieacuten a la presencia de agua en el suelo
En la graacutefica se puede evidenciar que cerca de los 50deg de inclinacioacuten para una
altura de 20 m MH y CH se comportan con un valor de 17 de manera diferente
quiere decir que su porcentaje restante su comportamiento es igual Sin llegar a
cumplir con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de 10 m
cerca de los 30deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CH presentan un
comportamiento similar cumpliendo con FS=21
Finalmente en condiciones estaacuteticas y con ru=025 el material oacuteptimo es CH
soacutelo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra
estabilidad modificado con el 28 de probabilidad Cumpliendo con el valor
miacutenimo establecido en la NSR-10
Entonces es preciso aclarar que en cualquier caso FS inversamente proporcional
al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
94
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 29 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y en condicioacuten criacutetica de saturacioacuten con ru=05
dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un
talud de altura de 20m cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-
10 correspondiente a 150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo
afecta de manera directa al talud y al comportamiento mecaacutenico del suelo
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 ESTAgraveTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
95
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material genera
condiciones inadecuadas no solo al aumentar la inclinacioacuten sino tambieacuten a la
presencia de agua en el suelo En donde se evidencia que para un CH con
presencia de ru= 00 hasta ru=05 su factor de reduccioacuten se ve modificado en un
1 mientras que para MH da un valor de 1982 y para un CL de 01
Cabe resaltar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para una altura de 20 m MH y
CH se comportan de manera similar con un FS=100 lo que indica estabilidad
pero no cumple con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de
10 m cerca de los 70deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CL presentan un
comportamiento similar con FS=125 A partir de eacuteste uacuteltimo anaacutelisis es importante
aclarar que el MH ya no se relaciona con el comportamiento del CH sino del CL
Finalmente en condiciones estaacuteticas y condicioacuten criacutetica de ru=05 el material
oacuteptimo sigue siendo CH como en los casos anteriores pero solo en un talud de
10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con factores
de reduccioacuten que no cambian bruscamente si no que oscilan entre el valor de
338 hasta 332 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo lo descrito anteriormente indica que en cualquier caso se analiza que el
FS es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
96
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=000
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 30 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
dinaacutemica con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica de 025 descrito en la
seleccioacuten de valores de sismo (iacutetem 732) del presente proyecto ninguno de los
materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m de
altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo afecta de
manera directa al talud
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
97
El MH es el material que a menor aacutengulo de inclinacioacuten de 51ordm en condiciones
dinaacutemicas muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material presenta
comportamientos mecaacutenicos deacutebiles no solo al aumentar la inclinacioacuten sino
tambieacuten a la presencia de un sismo lo cual se evidencia en el 187 con ru=00
y se evidencia en ru=05 con un porcentaje de 669
De tal manera se evidencia que a los 45deg de inclinacioacuten para el MH en un talud
de altura de 20 m y un CL con un talud de 10 m de altura se comportan de
manera similar comparaacutendolo con una diferencia del 08 de tal manera que a
pesar de sus diferencias dichos factores le generan inestabilidad a el talud Por
lo tanto para un aacutengulo de inclinacioacuten de 30deg y una altura 10 m su inferencia con
respecto al factor de seguridad es del 1 cumpliendo asiacute para los valores
descritos en la matriz de resultados con la NSR-10
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo sigue siendo CH como
en los casos anteriores ya que cumple con el 313 pero solo en taludes de 10
m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre
1242 y 146 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo ello indica que en cualquier caso se analiza que FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura aun en condiciones dinaacutemicas
98
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 31 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales que se analizan en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de
10 m de altura cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo y de agua en el
suelo afecta de manera directa al talud teniendo en cuenta que el factor de
reduccioacuten para un CH es de 505 en condiciones de 75ordm de inclinacioacuten
mientras que para MH es mayor pues es de 628 y para el CL de 504
De esta manera se observa que a los 60deg de inclinacioacuten para el MH y el CL en un
talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un factor de
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
99
reduccioacuten de 256 lo que indica inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta
para todos los materiales en un talud de 20 m de altura y en una altura de 10 m
para los CL
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo continuacutea siendo CH
como en los casos anteriores pero solo en un talud de 10 m de altura puesto que
frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre 1238 y
1454 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10 Sin embargo el
MH tambieacuten se comporta de manera adecuada hasta inclinaciones de 60deg puesto
que bajo estas condiciones presenta FS entre 1131 y 1307
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 32 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
100
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m
de altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 esto se
debe a que la presencia de sismo y de agua en el suelo afecta de manera directa
al talud siendo el factor de reduccioacuten para las arcillas cercano al 1 mientras que
para los limos da superior al 20
Es asiacute como se puede observar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para el MH y
el CL en un talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un
porcentaje igual de 447 lo que con lleva a que el comportamiento mecaacutenico del
suelo no es igual y genera inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta para
todos los materiales en un talud de 20 m de altura y el CL en una altura de 10 m
En condiciones dinaacutemicas el material con las mejores caracteriacutesticas se suelo es
el CH como en todos los casos mencionados anteriormente pero solo en un talud
de 10 m de altura puesto que frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra
estabilidad con FS entre 1233 y 1447 Sin embargo el MH tambieacuten se comporta
de manera adecuada hasta inclinaciones de 45deg puesto que bajo estas
condiciones presenta FS entre 1111 y 1139
Es asiacute como se concluye que FS es inversamente proporcional al aacutengulo de
inclinacioacuten a la altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica al ser comparado
entre los modelos con las diferentes condiciones de sismo
Es evidente la influencia que tiene la presencia de agua en los suelos expansivos
a continuacioacuten se presenta un anaacutelisis del comportamiento de los suelos ante la
variacioacuten del paraacutemetro ru para taludes con una altura de 10m con el fin de
analizar cuaacutel de estos materiales se ve maacutes afectado por dicho paraacutemetro
101
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 33 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad (FS) de manera
insignificante al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y 05 con
factores de reduccioacuten de 392 hasta 328 desde 30ordm de inclinacioacuten hasta 75ordm
respectivamente cumpliendo con el factor de seguridad descrito en la NSR-10
(15 en condicioacuten estaacutetica) A diferencia del limo inorgaacutenico de alta plasticidad
(MH) que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a medida que
aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS entre 2416 y 1937 Por otro lado la
arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH) disminuye FS de 2127 a 2105 a medida
que aumenta el paraacutemetro ru
A partir de lo mencionado es claro que el factor de seguridad es inversamente
proporcional al paraacutemetro ru puesto que a mayor presencia de agua en el suelo
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
000 020 040 060
FS
RU
30ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
102
menor factor de seguridad el cual se hace evidente en el cambio que se presenta
para los diferentes materiales que como ejemplo se cita del CH que para un
aacutengulo de 30ordm 10 metros de altura con ru=0 hasta 05 brinda un factor de
reduccioacuten del 1034
Se evidencia que el CH tiene un comportamiento constante frente al cambio del
factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas cumplen con respecto al valor
brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se establece
a 105 pues los valores del FS oscilan entre 1460 hasta 1447 que comparado
con el material de MH para un aacutengulo de 30ordm la diferencia estaacute en un 1306
mientras que para el CL es de 309
El CL el FS es de 0909 hasta 0906 donde el ru=00 y ru=05 teniendo
posibilidades altas de falla con respecto a los materiales CH y MH siendo
afectado cada uno de los suelos por la condicioacuten dinaacutemica que hace a los
materiales propensos para que ocurra fenoacutemenos por remocioacuten en masa
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 30deg y una altura de 10 m
todos los materiales son oacuteptimos siendo MH el mejor de ellos representado en
porcentajes de 1982 hasta el 3914 Mientras que en dinaacutemico el CL No
cumple en ninguacuten momento con los paraacutemetros establecidos por la norma sismo
resistente mientras que los otros materiales si hasta cierto aacutengulo de inclinacioacuten
como se especifica en el anexo 3 Modelacioacuten adecuada para taludes compuestos
por suelos expansivos
103
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 45deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 34 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad a medida que
aumenta el contenido de agua en el suelo al igual que el CH y MH
De tal manera que para el material CH los valores de ru=00 entre el 1 al 29
esto se debe a que la modificacioacuten que le pueda llegar a generar el agua al suelo
es miacutenima frente al resto de materiales pues en el MH da un valor del 30 Lo
cual indica que existe un paso raacutepido del agua por las partiacuteculas del suelo
generando asiacute que en condicioacuten estaacutetica para una inclinacioacuten de 45deg el CL no
cumpla con respecto al factor de seguridad de la norma NSR-10 mientras que
MH y CL si siendo CH el material maacutes oacuteptimo para estas condiciones de talud
Se infiere que al aumentar el aacutengulo a 45ordm el factor de seguridad disminuye
siendo dicho valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0500
1000
1500
2000
2500
000 020 040 060
FS
RU
45ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
104
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 se observa que para los
suelos CH y MH cumple para el aacutengulo de 45ordm mientras que para el suelo CL no
cumple con dicha condicioacuten cuando presenta un fenoacutemeno de sismo
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 60deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 35 se evidencia que CL describe un comportamiento constante que
disminuye FS en un 27 al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y
05 con FS entre 024 a 044 respectivamente incumpliendo la NSR-10 A
diferencia del MH que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
000 020 040 060
FS
RU
60ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
105
medida que aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS Por otro lado en el suelo
compuesto por CH disminuye en 14 a medida que aumenta la condicioacuten de
agua
Se observa que el CH presenta un comportamiento constante frente al cambio
del factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas que cumplen con respecto al
valor brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se
establece a 105
De tal manera que el comportamiento para el MH se evidencia que el FS es
inversamente proporcional al factor ru debido que al aumentar las condiciones de
ru en el talud el FS disminuye cumpliendo con el valor miacutenimo descrito en NSR
10 hasta un ru de 04
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 45deg y una altura de 10 m
solo el CH y MH cumplen con el factor siendo materiales oacuteptimos para el disentildeo
siendo CH el mejor de ellos en condicioacuten dinaacutemico el CL no cumple con el factor
de seguridad miacutenimo establecido mientras que el CH es un material oacuteptimo para
las diferentes condiciones establecidas el MH en cambio cumple con aacutengulos
menores a 72ordm con un ru=025 mientras que en condiciones totalmente
saturadas cumple para aacutengulos de inclinacioacuten menores a 59ordmcomo se evidencia
en el anexo 3modelacioacuten adecuada para taludes compuestos por suelos
expansivos
106
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 75deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
En la figura 36 se evidencia que para condiciones estaacuteticas el FS se cumple
para el material de CH mientras que para los otros materiales de MH y CL no
cumple con las condiciones debido a que se encuentra por debajo de lo
establecido que es de 15 con la altura de 10 m De esta manera se evidencia en
los tres materiales que el FS es inversamente proporcional al ru con cambios de
08 en el valor del ru=0 hasta un 15 para un CH mientras que para el MH
varia entre el 2488 hasta el 3734 y para un CL la variacioacuten es de 018 a
025 pues entre mayor es dicho coeficiente menor es el factor de seguridad
Siendo afectado igualmente por el aacutengulo de inclinacioacuten y la geometriacutea del talud
Es asiacute como se infiere que al aumentar el aacutengulo a 75ordm el factor de seguridad
disminuye siendo el valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
000 020 040 060
FS
RU
75ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
107
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 cuando se encuentra
amenazado por un factor de sismo se observa que para los suelos CH cumple
para el aacutengulo de 75ordm mientras que para el suelo MH cumple hasta condiciones
de ru= 01 lo que indica que para condiciones de ru= 025 04 y 05 no cumpliriacutea
con dicha condicioacuten es asiacute como se observa el CL no cumple las condiciones
miacutenimas para el factor de seguridad en condiciones dinaacutemicas
Al realizar los diferentes modelos con las condiciones descritas se observa que el
paraacutemetro geomecaacutenico que modifica el comportamiento de los suelos expansivos
presentes en un talud es la cohesioacuten por lo tanto se ejecuta sensibilizacioacuten del
paraacutemetro y se hace una anaacutelisis del comportamiento que presenta frente a
cambios de geometriacutea y paraacutemetro ru de donde se observa que de los valores
descritos en el anexo 4 Para un ru establecido con una altura y aacutengulos
seleccionados se debe tener una cohesioacuten mayor al valor presentado en la tabla
pues se tiene en cuenta que a partir de un factor de seguridad en condiciones
estaacuteticas 15 los valores de cohesioacuten deben estar por encima de dicho valor
mientras que en condiciones dinaacutemicas deben estar por encima del valor de 105
lo que indica que entre mayor sea el valor de cohesioacuten a los valores determinados
mayor seraacute la atraccioacuten y unioacuten de las partiacuteculas del suelo evitando asiacute que se
presente un proceso de remocioacuten en un talud aumentando respectivamente el
factor de seguridad
108
9 CONCLUSIONES
Se definieron los paraacutemetros geomecaacutenicos de los materiales que se analizan en
cada una de las modelaciones (arcillas y limos) a partir de la informacioacuten descrita
en los antecedentes del presente trabajo de grado Gracias al libro de Amer Ali Al-
Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soil En Effect of remolding
techniques on soil swelling and shear strength properties Londres Taylor amp
Francis e-Library 2006 a partir del cual se obtiene detalle sobre los
comportamientos de suelos expansivos en taludes de tal manera que se ejecutan
diferentes modelaciones en las que se tienen en cuenta cambios en la geometriacutea
con el fin de comparar los factores de seguridad a traveacutes de graacuteficas de las cuales
se concluyoacute
El factor de seguridad es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la
altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica de donde se observa
detalladamente la influencia de la altura en el disentildeo del talud en el cual se
identifica que para alturas de 20 m conformado por este tipo de suelos bajo esta
condiciones de modelacioacuten los factores de seguridad tanto en condiciones
dinaacutemicas como estaacuteticas estaacuten por debajo del valor descrito en la Norma Sismo
Resistente Colombiana tiacutetulo H tabla H69-1 en donde se especiacutefica que la
estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetica debe ser de 150
y para condicioacuten dinaacutemica 105 sin embargo para los taludes con alturas de 10 m
se identifica que los suelos compuestos por arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(MH) son materiales con excelentes comportamiento en condicioacuten estaacutetica y
dinaacutemica mientras que el limo inorgaacutenico de alta plasticidad es oacuteptimo en
condiciones criacuteticas con sismo y ru=05 para inclinaciones de 45deg o menores y
con sismo y ru=025 inclinaciones de 60deg o menores
109
La arcilla de alta plasticidad (CH) contiene una cohesioacuten mayor comparada a la
de la arcilla de baja plasticidad (CL) y al limo de alta plasticidad (MH) lo que
indica una mayor resistencia a la presencia de agua lo que genera mayor
estabilidad en el talud asiacute mismo el CH por presentar un valor de liacutemite liacutequido
mayor es susceptible al cambio de estado de plaacutestico a liacutequido contrario a lo que
sucede con el MH ya que su liacutemite plaacutestico es mayor al resto de los suelos debido
a esto es susceptible al cambio de estado de semi-soacutelido a plaacutestico De igual
manera para que la arcilla de alta plasticidad cambieacute de estado es necesario que
el suelo presente un mayor valor de ru=05 que en suelos expansivos este valor
es hasta 067
Para las modelaciones que se realizan en el presente proyecto se utiliza el
software Slidereg el cual resulta de faacutecil manejo con respecto al anaacutelisis del factor
de seguridad en diferentes condiciones de ru en estado dinaacutemico y sismo Asiacute
mismo el meacutetodo utilizado (Bishop simplificado) es un meacutetodo que a pesar de solo
satisfacer el equilibrio de momentos y no cumplir con la totalidad de las
ecuaciones de la estaacutetica presenta exactitud frente a los resultados que se
obtienen en comparacioacuten al meacutetodo ordinario El cual utiliza las dovelas en donde
se tiene en cuenta las fuerzas entre las mismas siendo el maacutes utilizado para
calcular el factor de seguridad de los taludes la uacutenica restriccioacuten que presenta es
que solo considera las superficies de falla circulares
Con respecto al aacutengulo de inclinacioacuten en un talud el mismo tiene una afectacioacuten
directa del factor de seguridad ya que a medida que la reconformacioacuten geomeacutetrica
del talud aumenta se genera una condicioacuten de inestabilidad directa con respecto
a la geometriacutea lo que se evidencia en las graacuteficas para un talud de 30ordm a 75ordm
respectivamente en un 28 en estado estaacutetico y un 16 en estado dinaacutemico para
un MH en estado estaacutetico es un factor de reduccioacuten de 59 mientras que en
dinaacutemico es del 42 y para CL es de 27 para dinaacutemico y estaacutetico
110
10 RECOMENDACIONES
Dentro de las recomendaciones se exponen las diversas limitaciones existentes en
cuanto a paraacutemetros geomecaacutenicos que se usan en las modelaciones y los
meacutetodos para observar el comportamiento mecaacutenico del suelo y el caacutelculo del
factor de seguridad
Para los paraacutemetros geomeacutetricos de los taludes modelados se recomienda el
disentildeo de taludes de 45deg a 60deg dependiendo del espacio del terreno ya que una
mayor inclinacioacuten implica mayores costos y el talud se hace susceptible a sufrir
procesos de remocioacuten en masa Asiacute mismo se recomiendan alturas de 10 m para
este tipo de suelos expansivos ya que mostraron mejores factores de seguridad
Cuando se tiene presencia de limos de alta plasticidad se hace necesario tener
inclinaciones en los taludes menores a 67ordm con alturas de 10m y Ru=0 mientras
que para un Ru=025 se recomienda hacer el disentildeo de un talud con una
inclinacioacuten menor a 51ordm y en estado dinaacutemico con una inclinacioacuten menor a 72ordm y
con un Ru=05 menor a 59ordm con el fin de que cumpla con los criterios descritos en
la Norma Sismo Resistente Colombiana titulo H
Para obtener el disentildeo de un talud en el presente proyecto de grado se
recomienda tener precisioacuten en el suelo sobre el cual se vaya a disentildear debido a
que se presenta los paraacutemetros geomecaacutenicos para resultados de factores de
seguridad que dependen por completo de la definicioacuten de los mismos y al
variarlos no se comportaraacuten de la manera en que se analizoacute en el presente trabajo
de grado Esto se comprueba durante la modelacioacuten realizada debido a que se
generan diferentes modelos con diferentes paraacutemetros geomecaacutenicos no
mencionados en el presente trabajo pero si tenidos en cuenta para la seleccioacuten
de los mismos
111
En la modelacioacuten de taludes del proyecto se utilizoacute el meacutetodo de Bishop
Simplificado para la modelacioacuten en el software Slidereg de tal manera que la
modelacioacuten queda abierta a la utilizacioacuten de los diversos meacutetodos existentes
112
11 BIBLIOGRAFIacuteA
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114
NORMA COLOMBIANA SISMO RESISTENTE Titulo H Capitulo
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1
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDAD
Fuente propia
ANGULO
(ordm) H(m) RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05
10 136 80 08 212 309 304 377 374 136 79 07 213 392 244 382 204 392 244 382 205 309 304 377 374
20 525 178 17 202 290 273 281 270 525 143 452 52 535 364 505 306 534 364 505 306 290 273 281 270
10 08 178 17 201 308 304 372 368 08 178 17 202 313 154 361 207 313 154 361 208 308 304 372 368
20 236 90 310 57 316 308 312 303 236 89 310 57 440 239 475 260 447 240 475 260 316 308 312 303
10 86 266 72 240 308 305 355 352 86 266 72 240 243 54 305 147 244 54 305 147 308 306 355 352
20 55 253 176 173 350 343 291 282 55 254 176 174 384 119 397 131 384 119 397 131 349 343 291 282
10 156 361 109 304 309 305 331 327 156 361 19 34 182 88 249 33 182 88 249 33 309 305 331 327
20 23 367 104 298 312 303 313 304 23 368 104 298 328 101 378 10 328 101 378 10 312 304 314 305
ANGULO
(ordm) H(m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICOESTAacuteTICO DINAgraveMICO RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 10 09 1982 2250 020 033 313 313 413 412 380 381
20 29 20 1333 2900 191 061 338 332 369 385 329 329
10 08 09 1908 1940 022 022 295 295 312 316 359 324
20 17 19 2760 2940 043 064 328 340 288 363 360 325
10 07 07 2025 1860 024 023 257 257 245 200 306 306
20 14 17 3026 3093 032 044 323 325 245 252 262 262
10 08 07 2488 2249 018 010 198 200 152 124 223 222
20 15 15 3914 3734 037 025 246 246 187 163 248 24775
45
60
462
475
472
516505
546
578
633
503
502
503
504
ALTURA DE 10 metros A 20 metros
460
473
526
535
527
551
574
628
CH MH CL
528
502
478
521
CH MH CL
DE ESTAacuteTICO A DINAacuteMICO
RU=00 A RU=05
CL
ESTATICO DINAMICO
RU=00 A RU=05 RU=00 A RU=05
CL
MH CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
CAMBIO DE RU
MH
30
MH
CH CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTATICO DINAMICO
30
45
60
75
CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
MH CL
ESTATICO DINAMICO
116
2
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA GEOMETRIacuteA
Fuente propia
H (m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 28 16 59 42 27 27
20 26 16 69 59 9 18
CH MH CL
CON INCLINACIONES DE 30ordm A 75ordm
117
3
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
Fuente propia
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
NO CUMPLE
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X lt669ordm X lt59ordm X lt51ordm X X X X X X X lt72ordm X lt59ordm
NO CUMPLE gt67ordm gt60ordm X gt52ordm X gt73ordm gt60ordm X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
10 CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
10
20
RU=00 RU=025 RU=05RU=00 RU=025 RU=05
20
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
10
20
CL
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
118
4
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOS
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 325 352 39 45 33 36 39 46 36 38 43 50 34 36 395 465 335 36 40 465
MH C(Knm2) 15 235 31 42 23 32 39 44 20 27 36 475 23 30 38 51 223 31 40 52
CL C(Knm2) 39 42 49 58 36 39 42 50 33 35 39 45 36 385 425 495 359 389 43 495
DINAacuteM
ICA
RU RU RU RU RU
ESTAacuteTI
CARU RU RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
RU
0 01 025 04 05
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 34 353 36 392 34 35 36 391 34 352 37 40 34 353 37 40 34 353 37 40
MH C(Knm2) 0 0 0 328 0 0 30 347 0 0 32 375 0 31 348 408 30 33 36 425
CL C(Knm2) 404 42 424 443 404 42 425 442 40 418 42 442 405 42 424 442 408 419 42 442
DINAacuteM
ICA
RU RU
04 05
RU
025
ANGULOS (ordm)ANGULOS (ordm)
0
RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
01
ANGULOS (ordm)
119
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander 26
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo 39
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para MH 56
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por
los tres meacutetodos para CL 57
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av 64
Figura 6Valores de Kst A max 65
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos 66
Figura 8 Modelo en slide para un CH 69
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico 70
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico 71
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico 71
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico 72
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico 72
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico 73
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico 74
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico 75
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico 75
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico 76
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico 76
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en
condicioacuten estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m 78
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 79
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros 80
Figura 23 Rangos de variables 81
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con
9
altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm 82
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con
ru=00 en condicioacuten estaacutetica 83
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y
05 en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm 84
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=0 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 90
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 92
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 94
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=000 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 96
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 98
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 99
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 101
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
45deg y altura de 10 m en CH MH y CL 103
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
60deg y altura de 10 m en CH MH y CL 104
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
75deg y altura de 10 m en CH MH y CL 106
10
GLOSARIO
Asentamientos deformacioacuten de un suelo
Asentamientos inmediatos causado por la deformacioacuten elaacutestica del suelo la
cual ocurre en estados del suelo saturado seco o huacutemedo
Asentamientos por consolidacioacuten es el cambio de volumen en suelos
cohesivos saturados debido a la expulsioacuten del agua que ocupan los poros Los
suelos cohesivos saturados son suelos arcillosos los cuales dependen de la
permeabilidad que contenga el suelo
Asentamientos por compresioacuten secundaria parte de una deformacioacuten que ya
sucedioacute y ocurrioacute con un esfuerzo efectivo constante con ninguacuten cambio de agua
en los poros siendo dependiente del tiempo esto ocurre por el reajuste del suelo
Colapso disminucioacuten raacutepida de volumen del suelo producida por el aumento de
los siguientes factores contenido de humedad grado de saturacioacuten tensioacuten
mediante actuante tensioacuten de corte y presioacuten de poros
Cohesioacuten es la atraccioacuten entre partiacuteculas originada por fuerzas moleculares y
peliacuteculas de agua Por lo tanto la cohesioacuten de un suelo variaraacute si cambia el
contenido de humedad esta propiedad se mide en kgcm2
Criterio de falla se da cuando en una familia de facetas de la tensioacuten alcanza
una inclinacioacuten criacutetica (f) con la normal a la faceta La ruptura seraacute cuando la
tensioacuten tangencial alcanza el valor mayor de esfuerzos cortantes
Expansioacuten la alteracioacuten de las condiciones naturales de una arcilla que
11
produzcan cambios en el contenido de agua esta se integra con la estructura
laminar de la arcilla y si estaacute confinado presentara una elevacioacuten en las presiones
internas del material
Factor de seguridad es empleado para comprender cuaacutel es el factor de que el
talud falle en las peores condiciones de comportamiento Fellenius (1927)
presentoacute el factor de seguridad como la relacioacuten entre la resistencia al corte real
calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte criacuteticos que tratan de
producir la falla a lo largo de una superficie supuesta
Friccioacuten es la resistencia al deslizamiento causado por la friccioacuten existente entre
las superficies de contacto de las partiacuteculas y su densidad de tal manera que es el
aacutengulo cuya tangente es la relacioacuten entre la fuerza que resiste el deslizamiento a
lo largo de un plano y fuerza normal aplicada a este plano
Geomecaacutenico implica el estudio geoloacutegico del comportamiento del suelo y las
rocas
Grietas de contraccioacuten fisuras relativamente anchas respecto a la longitud que
se abren cuando se contrae el suelo o una roca Su formacioacuten constituye un
fenoacutemeno caracteriacutestico de los suelos arcillosos que al descascararse forman una
red poligonal de las grietas de retraccioacuten
Grietas en cuntildea son verticales y son producidas en regiones friacuteas que se
encuentran formadas tras la congelacioacuten raacutepida del suelo
Hinchamiento separacioacuten de las laacuteminas que componen las arcillas por la
absorcioacuten de agua en el espacio inter-laminar
12
Iacutendice de plasticidad diferencia numeacuterica entre el Limite Liquido y el Limite
Plaacutestico Define el campo plaacutestico de un suelo y representa el porcentaje de
humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plaacutestico
Inestabilidad desequilibrio fluctuacioacuten e inconsistencia de un terreno cuando es
afectado por agentes externos
Limite liacutequido es el contenido de agua expresado en porcentaje respecto al
peso del suelo seco que delimita la transicioacuten entre el estado liacutequido y plaacutestico de
un suelo remoldeado o amasado
Liacutemite de contraccioacuten contenido de humedad por debajo del cual se produce
una reduccioacuten adicional de volumen o contraccioacuten en el suelo
Ladera declive lateral de un terreno cuya pendiente se conforma a traveacutes del
aacutengulo que se formoacute con la horizontal
Sensitividad proporcioacuten de la resistencia a compresioacuten simple en estado
inalterado entre la del estado remoldeado
Sensibilidad de paraacutemetros geoteacutecnicos es el anaacutelisis del comportamiento de
las propiedades que influyen en la estabilidad de taludes
Suelo parte superficial de la corteza terrestre bioloacutegicamente activa que proviene
de la desintegracioacuten o alteracioacuten fiacutesica
Suelos colapsables son los suelos que presentan un cambio de relacioacuten entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia uacuteltima
del material A este grupo pertenecen las arcillas cementadas los limos y rocas
13
de gran porosidad
Suelo expansivo es un tipo de suelo capaz de producir un aumento de volumen
en relacioacuten con los cambios de humedad que puedan llegar a presentarse Dichos
materiales tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla
debido a su estructura
Suelos desmoronables suelos en los que sin la presencia o cambio de
condiciones son capaces de producir colapso donde no existe un cambio abrupto
en relacioacuten presioacuten-deformacioacuten La saturacioacuten produce un cambio volumeacutetrico
debido al incremento de presioacuten de poros que origina la resistencia al corte del
suelo
Talud porcioacuten de tierra elevada de dimensiones variables generalmente
rematando por una cuneta y caracterizado por una vegetacioacuten especiacutefica Dicho
elemento es construido con el tiempo pero tambieacuten puede ser producto de la
ejecucioacuten realizada con una construccioacuten artificial con tierra o piedra de tal
manera que es conformada con cualquier superficie inclinada respecto a la
horizontal
Terreno porcioacuten de espacio generalmente plano de tierra en el cual no se tiene
nada construido de tal manera que se trata de un aacuterea en la que no existe un
edificio o algo que cubra la superficie del mismo
14
INTRODUCCIOacuteN
Uno de los problemas caracteriacutesticos de la ingenieriacutea civil es la estabilidad de
taludes ya que los suelos presentan comportamientos dependiendo de la
estructura que lo componen y de los factores tanto extriacutensecos como intriacutensecos
generando movimiento de tierras que pueden terminar siendo generadores de
procesos de remocioacuten en masa como deslizamientos debidos a fallas rotacionales
o traslacionales o caiacutedas de rocas y detritos generando afectaciones socio-
econoacutemicas a la regioacuten Por ello es importante abordar temas como la estabilidad
de taludes en suelos expansivos como lo son la arcilla de alta plasticidad (CH)
arcilla de baja plasticidad (CL) y limo de alta plasticidad (MH) con el fin de
identificar el comportamientos de dichos suelos ante variables geomeacutetricas de
nivel freaacutetico y sismo A partir de las propiedades geomecaacutenicas de los suelos
expansivos en estudio se modelan los taludes de los diferentes perfiles
estratigraacuteficos con la correspondiente asignacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos
por medio del software Slide reg en el que al variar las condiciones de sismo y
contenido de agua se analiza la influencia que tienen en el factor de seguridad del
talud
La escasez de informacioacuten en el tema del comportamiento de suelos expansivos
genera la importancia necesaria para estudiar y analizar el tema a profundidad
creando herramientas dirigidas a ingenieros civiles tanto en campo como en
oficina para disentildeos oacuteptimos de taludes
15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El territorio colombiano presenta variedad de suelos expansivos por su
complejidad en el comportamiento mecaacutenico se hace necesario conocer la
inestabilidad que pueden presentar principalmente este tipo de suelos1 Es asiacute
como en varias zonas de Colombia se evidencian climas friacuteos-secos lo que
ocasiona una condicioacuten de sequedad que hace que algunos tramos en los taludes
presenten caracteriacutesticas de suelos expansivos2 que se caracterizan por tener
liacutemites miacutenimos y maacuteximos de contenido de humedad entre los cuales se
presenta la expansioacuten y contraccioacuten
De esta manera se identifica que los suelos compuestos por arcillas y limos que
son capaces de retener gran cantidad de agua debido a su estructura este
proceso induce a movimientos que generan grietas y asentamientos del terreno
afectando directamente el comportamiento del suelo problema que se acusa con
los cambios estacionales debido a los ciclos de humedecimiento-secado asiacute
como la ascensioacuten de nivel freaacutetico3 de tal manera que esto presenta un riesgo
para los usuarios de las viacuteas que presentan esta tipologiacutea de material Otra de las
amenazas se identifica cuando ocurre un sismo debido a que estos suelos
tienden a transmitir las ondas del sismo con rapidez y amplitud lo que llega a
generar colapso del talud4
1 MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos
ambientalespg371 2 LEOacuteN SICARD Tomas Enrique Estado del Recurso del Suelo [en liacutenea]
lthttpwwwunperiodicounaleducodperarticleagroquimicos-envenenan-suelos-en-colombiahtmlgt [Citado en 9 de noviembre de 2013] 3ASEFA Patologiacuteas por arcillas expansivas Naturaleza y comportamiento [en liacutenea]
lthttpwwwconcretonlinecomindexphpoption=com_contentampid=3179ampItemid=27gt [citado en 5 agosto del 2015]
4CINNA LOMNITZ Las causas probables de la cataacutestrofe siacutesmica del 19 de septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica
UNAM Ciencia y desarrollo septiembreoctubre 1988 Vol XIV Nuacutem 82 CONACYT
16
Es asiacute como en varios lugares se han reportado movimientos en masa como
deslizamientos y fallas rotacionales en los cortes realizados en laderas debido a
la inestabilidad generada por los materiales de los que se encuentran compuestos
los suelos5
Debido a lo anterior se requiere hacer un estudio a los suelos expansivos los
cuales se identifican mineraloacutegicamente con la determinacioacuten de propiedades
baacutesicas tambieacuten a traveacutes de meacutetodos indirectos del potencial expansivo y
medidas directas de la expansioacuten esto con el fin de observar las caracteriacutesticas
geomecaacutenicas en la ejecucioacuten de taludes seguacuten los factores baacutesicos miacutenimos
descritos en la norma sismo resistente (NSR-10) Titulo H241
Es importante conocer iquestCuaacutel es el comportamiento de los paraacutemetros
geomecaacutenicos de taludes compuestos por suelos expansivos ante variables de
nivel freaacutetico geomeacutetria y sismo
5SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47 regionales [en liacutenea]
lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
17
2 ANTECEDENTES
Uno de los temas de mayor intereacutes en la Ingenieriacutea Civil es la estabilidad del
suelo debido a sus inesperados y diferentes comportamientos para los cuales se
hace necesario el estudio y anaacutelisis taludes con el fin de lograr estabilidad y
factores de seguridad oacuteptimos cuando se encuentran compuestos por suelos
expansivos
Se han presentado diferentes casos en donde se vuelve indispensable realizar
una caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes para el anaacutelisis de la vulnerabilidad
que tiene un sitio referente a un talud en donde se cuenta con aspectos que
definen la amenaza asociada valores encontrados para la vulnerabilidad fiacutesica6
metodologiacutea para la cual se determina el riesgo asociado a dicha vulnerabilidad
En torno a este tema en particular la mayoriacutea de las investigaciones trabajan de
forma aislada la amenaza la vulnerabilidad y no evaluacutean en forma precisa el
riesgo por la accioacuten de procesos de remocioacuten en masa que desestabilizan los
taludes con base en el esquema de la caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes es
posible desarrollar una metodologiacutea que evaluacutee el riesgo asociado a inundaciones
sismos vientos o realizar una metodologiacutea integral que involucre todas esas
variables7
En Colombia se presentan casos diversos de falla en viacuteas un ejemplo es la falla
que ocurrioacute en la viacutea Manizales ndash Mariquita Tramo 5006 Debido a la inadecuada
entrega de la alcantarilla presente en ese sitio esto produjo socavacioacuten en el talud
inferior de la viacutea quitaacutendole el soporte al muro ocasionando su volcamiento Ello
6 HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y vulnerabilidad Fiacutesica por taludes y laderas inestables
en la micro Cuenca de la quebrada Cay Ibagueacute Universidad del Tolima Departamento del Tolima Maestriacutea en
planificacioacuten y manejo ambiental de cuencas 2013 pg 119
7 ibiacuted p 119
18
acelero la rotura de un acueducto veredal que satura el relleno causando paso
restringido de vehiacuteculos a un solo carril8 El objetivo de este estudio fue identificar
las diferentes formas de estabilizacioacuten y plantear la solucioacuten definitiva
correspondiente a un sistema de estructura que consta de pilotes metaacutelicos
generando estabilizacioacuten del talud
La Universidad Nacional incluye en un estudio realizado como parte de la
caracterizacioacuten fiacutesica algunas teacutecnicas para el anaacutelisis de la composicioacuten
mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y propiedades
iacutendice en las arcillas de Barranquilla En donde se tomoacute como base el cambio
volumeacutetrico descrito en la mayoriacutea de investigaciones y como aporte al
conocimiento del comportamiento expansivo de las arcillas del distrito de
Barranquilla (Colombia) con desarrollo de un programa experimental orientado a
caracterizar sus propiedades fiacutesicas micro-estructurales y de comportamiento
geoteacutecnico en muestras naturales inalteradas La caracterizacioacuten fiacutesica incluye
composicioacuten mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y
propiedades iacutendice la microestructura de muestras naturales se analiza
cualitativamente usando teacutecnicas microscoacutepicas (oacuteptica y electroacutenica de barrido) y
deducciones indirectas a partir de curvas de retencioacuten de agua (CRA) por uacuteltimo
el comportamiento geomecaacutenico se enfoca en el estudio del cambio volumeacutetrico
en condiciones de humedecimiento - saturacioacuten y procesos de carga ndash descarga9
Alliacute se concluyoacute que el potencial de expansioacuten colapso bajo carga no depende
exclusivamente de la carga vertical aplicada antes de la saturacioacuten sino de las
condiciones de faacutebrica y succioacuten inicial del material esto difiere en lo que se
encuentra en estudios realizados en la zona10
8 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de
Campoalegre ndash Ciudad de Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
9 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
10 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
19
Se han desarrollado variedad de estudios sobre el comportamiento de suelos
expansivos como ejemplo el libro Expansive Soils editado por Amer Ali Al-Rawas
ampMattheus FA Goosen en el cual se describen avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento de suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar inconvenientes causados por la presencia de
los mismos en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada por la
expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten que presentan
debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel freaacutetico Se analizoacute el efecto
de las teacutecnicas de remoldeo en el hinchamiento de suelos y las propiedades de las
fuerzas de cizallamiento que se presentan en los resultados de los efectos de
meacutetodos sobre la presioacuten por oleaje en el suelo resistencia a la compresioacuten
inconfinada Para lo cual se tomaron tres tipos de suelos CH CL y ML con
muestras inalteradas que fueron seleccionadas en la zona norte de Jordania con
una amplia gama de contenido de arcilla
Las propiedades fiacutesicas de estos suelos incluyendo la gradacioacuten el liacutemite plaacutestico
y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco maacuteximo y el
contenido oacuteptimo de agua se obtienen a traveacutes de las especificaciones con las
que cuentan las normas ASTM Las muestras de suelos perturbados y no
perturbados se obtuvieron de los lugares descritos en el paacuterrafo anterior y fueron
probadas en el laboratorio de mecaacutenica de suelos en Jordan Universidad de
Ciencia y Tecnologiacutea Los especiacutemenes remoldeados estaban preparados para la
compresioacuten inconfinada y los ensayos de hinchazoacuten utilizando tres teacutecnicas de
remoldeo dinaacutemicas estaacuteticas y amasado Esto con el fin de lograr un estudio en
el potencial de hinchamiento de ese tipo de suelos ante los diferentes ensayos La
evaluacioacuten de la presioacuten debida a la hinchazoacuten la inflamacioacuten potencial y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada se vio afectada por el meacutetodo de
remodelacioacuten
20
Por lo tanto de este ensayo se concluyoacute que las muestras inalteradas obtienen
valores altos de presioacuten de hinchamiento la remodelacioacuten dinaacutemica tuvo los
valores maacutes altos de la hinchazoacuten y la compresioacuten inconfinada seguido por la
fuerza estaacutetica y el remoldeo por amasado respectivamente de esta manera se
observa que el contenido inicial de agua afecta tanto a la presioacuten de la hinchazoacuten
como a la resistencia a la compresioacuten inconfinada
De esta manera se encuentra el desarrollo de otro estudio ejecutado en el libro de
Expansive Soils en donde se describe una serie completa de pruebas referidas a
la compresioacuten no confinada (UC) no consolidado no drenado (UU) triaxiales y
columna resonante (RC) se realizaron sobre muestras estabilizadas
quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del sureste de Arlington Texas
despueacutes de haber sido sometido a ciclos (WD) repetidos de humectacioacuten-secado
inducido artificialmente en el laboratorio los cuales arrojaron unos resultados que
se utilizaron para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo plazo la
rigidez el efecto de hincharse y su continua contraccioacuten brindoacute respuesta del
suelo tratado incluyendo resistencia a la compresioacuten no confinada sin olvidar
resistencia al corte moacutedulo de corte dinaacutemico y material de amortiguacioacuten Se
utilizoacute meacutetodos de estabilizacioacuten que incluyen sulfato resistente cemento Tipo V
baja en calcio clase F mosca ceniza cal viva mezclaacutendolas con fibras de
polipropileno Muestras de suelo que se trataron y fueron curadas durante 7 diacuteas y
despueacutes se sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la UC UU y RC
la prueba Un ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua
potable en la sala de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a
140 F Encargoacute caacutemaras wd que permiten el monitoreo de 1-D al hincharse y
encogerse siendo esta la respuesta durante wd repetido Una dosis -por peso del
10 de cemento Tipo V el cual brinda mejor rendimiento general bajo realizado
con el ensayo de la resistencia al corte sin drenaje En donde se halloacute que Las
cenizas presentan malos resultados en comparacioacuten a todos los estabilizadores
21
con una simultaacutenea disminucioacuten de la c y bajo continuo w - d Aunque los valores
de fibras de cal suelo tratado tienden a aumentar con wd repetido Sin embargo
todos los suelos tratados superaron suelo natural despueacutes de 32 ciclos wd con el
tipo del 10 V suelo con cemento tratado mostrando un mejor rendimiento c-
De tal manera que la presencia de agua en este tipo de suelos los hace menos
resistencia a el ensayo de compresioacuten a fuerzas cortantes o de cizallamiento
debido a que alteran su estructura interna generando comportamientos
inadecuados para el cuerpo ingenieril debido a que se veraacuten afectadas las
construcciones realizadas sobre los mismos de esta manera seraacute necesario hacer
un tratamiento de estabilizacioacuten para proveer caracteriacutesticas mecaacutenicas
apropiadas de los suelos expansivos 11
11
Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos
y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
22
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos
por suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos
23
4 JUSTIFICACIOacuteN
Los suelos expansivos presentan algunas propiedades que pueden llegar a
generar variaciones en el comportamiento del suelo como los cambios
volumeacutetricos en presencia o ausencia de agua produciendo expansioacuten y
contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad portante y resistencia al corte
cuando se incrementa el contenido de agua
Al realizar cortes en laderas se presenta un cambio en la condicioacuten de resistencia
inicial del material lo que genera inestabilidad y un inminente riesgo el
comportamiento del suelo se analiza a traveacutes de la sensibilizacioacuten de paraacutemetros
que conduce a la mejora del factor de seguridad con respecto al disentildeo debido a
esto se llevoacute a cabo una comparacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes
los cuales brindaron soluciones oacuteptimas para el disentildeo de los mismos en suelos
expansivos
Es importante realizar el estudio de suelos expansivos y su comportamiento en
taludes ya que este tipo de suelos generan desplazamientos de materiales
Debido a que los suelos se hidratan y se hinchan estas condiciones se presentan
naturalmente tanto en eacutepocas de lluvia y en eacutepocas de sequia
Los riesgos que presenta en un proceso de estos son
Asentamientos en muros y cimientos
Deformacioacuten en los pavimentos y aceras
Movimientos de laderas
Roturas de cantildeerias y drenajes
Aparicioacuten de cavidades por disolucioacuten de sales
24
La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento de paraacutemetros
geomecaacutenicos en taludes ante variables de afectacioacuten para lo cual se realizan
aacutebacos que permitan identificar la manera en la que se ven afectados dichos
taludes y asiacute predecir su comportamiento por medio de programas de modelacioacuten
para el disentildeo de taludes con el fin de encontrar el factor de seguridad de disentildeo
y obtener las condiciones necesarias para la construccioacuten del mismo pensando en
el beneficio de la poblacioacuten
25
5 MARCO REFERENCIAL
El trabajo estaacute basado en la presentacioacuten de anaacutelisis sobre el comportamiento de
suelos expansivos en taludes con el fin de observar la inestabilidad del terreno el
cual se manifiesta mediante desplazamientos implicando ruina total o parcial de
sitios aledantildeos en donde se presenta este tipo de procesos de remocioacuten en masa
Este anaacutelisis conduce a un estudio referente a propiedades de los suelos que son
importantes las cuales generan cambios volumeacutetricos en presencia o ausencia de
agua produciendo expansioacuten y contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad
portante y resistencia al corte cuando se incrementa el contenido de agua
Es necesario tener presente conceptos como la composicioacuten y comportamiento
mecaacutenico de suelos expansivos que componen taludes asiacute mismo la afectacioacuten
que pueden generar estos suelos cuando son intervenidos por sismo y lluvia
Para el desarrollo de lo anterior se llevaraacute a cabo la presentacioacuten de los conceptos
tales como arcillas expansivas deslizamientos procesos de remocioacuten en masa
sensibilidad de paraacutemetros y anaacutelisis determiniacutestico
51 MARCO CONCEPTUAL
En el marco conceptual se establecen conceptos relacionados con la
investigacioacuten sobre la presencia de suelos expansivos como arcillas de baja alta
plasticidad y limos de alta plasticidad en taludes debido a que estaacute clase de
suelos tienen caracteriacutesticas de respuestas y comportamientos de expansioacuten y
contraccioacuten asociadas al humedecimiento y secado Por lo tanto la descripcioacuten
de estos comportamientos requiere el uso de un marco conceptual que incorpore
aspectos de anaacutelisis determiniacutesticos y meacutetodos de anaacutelisis con respecto al
comportamiento geomecaacutenico
26
Suelos Expansivos 511
Material susceptible que genera cambios de volumen los cuales se encuentran
directamente relacionados con cambios de humedad o variacioacuten con respecto al
contenido de agua La estructura del material retiene grandes cantidades de agua
lo que puede producir un aumento de volumen notorio12
El contenido de humedades un factor importante cuando se habla de la expansioacuten
de un suelo esto se presenta solo en los suelos expansivos como se observa en
la figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander cuando existen
variaciones climaacuteticas que influyen directamente en el comportamiento
generando grietas en el suelo13
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander
Fuente httpgooglaVWI0V
12
INGSPATRONE J amp PREFUMO JE La accioacuten de los suelos expansivos sobre las cimentaciones meacutetodos de
prevencioacuten y control Paacuteg 1-16[en
linea]lthttpwwwumeduuy_upload_descargaweb_descarga_204_AccindesuelosexpansivosAntildeo 2004gt[citado en 5 de
agosto del 2015]
13 Ibidp12
27
5111 Identificacioacuten de suelos expansivos
Los suelos expansivos se identifican de manera visual por varias caracteriacutesticas
tienen alta plasticidad si se observan en el terreno se encontraraacuten grietas
ocasionadas por la expansioacuten y contraccioacuten constante que sufre dicha superficie
esto se presenta cuando hay variacioacuten de humedad14
La identificacioacuten mineraloacutegica es una de las principales formas por las cuales se
ubican los suelos expansivos debido a que los meacutetodos maacutes recomendados son
difraccioacuten de rayos x anaacutelisis teacutermico diferencial anaacutelisis quiacutemico absorcioacuten de
tinte y la microscoacutepica electroacutenica Las cuales consisten en detectar la presencia
de minerales arcillosos que resultan expansivos15
5112 Ensayos de identificacioacuten de suelos expansivos
Es necesario ejecutar una valoracioacuten frente al comportamiento que puede llegar a
presentar un suelo con presencia de arcillas y limos cuando es sometido a
diferentes situaciones donde se ve alterada su composicioacuten de tal manera que
los diferentes ensayos permiten hacer un acercamiento de lo que sucede en la
realidad y especialmente en casos donde el suelo presenta humedad La tipologiacutea
y descripcioacuten de este tipo de ensayos se presenta en la tabla 1 Ensayos y
laboratorios en suelos descrita a continuacioacuten
14
INGSPATRONE Jamp PREFUMO JE Opcit1-16
15Ibid p1-16
28
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos
ENSAYOS Y LABORATORIOS
DESCRIPCIOgraveN
Hinchamiento Libre
Se humecta el suelo permitiendo una expansioacuten vertical
de una probeta por lo que el confinamiento lateral impide
la deformacioacuten lateral se realiza sobre muestras
inalteradas saturadas
Determinacioacuten de la presioacuten maacutexima del
hinchamiento
Impide la expansioacuten vertical al aplicar tensioacuten vertical
necesaria que compensa dicho hinchamiento se realiza
sobre muestras inalteradas Y saturadas
Ensayo de Lambe
Consiste en la preparacioacuten de una probeta de suelo que
se compacta en condiciones estandarizadas de humedad
inicial de tal manera que se impide una expansioacuten lateral
confinaacutendola en un anillo Una vez producida la
inundacioacuten de la ceacutelula se determina la tensioacuten maacutexima
de tensioacuten mediante un anillo dinamomeacutetrico con el
bastidor quienes se encargan de ejercer la reaccioacuten ante
la fuerza de expansioacuten que manifiesta la muestra al
hinchar El valor de esta tensioacuten maacutexima de hinchamiento
permite una clasificacioacuten cualitativa del material en
funcioacuten de ciertos grados de expansividad
Ensayo de volumen de sedimentacioacuten
Este criterio fue dado por Holtz y Gibbs el cual se utilizaba
para averiguar el potencial de hinchamiento de un suelo
consiste en depositar 10 cm3 de suelo seco que pase por
el tamiz Nordm40 en un cilindro graduado con 100 cm3 de
agua y se observa el aumento del volumen de la muestra
una vez sedimentada debido al hinchamiento dio
resultado se expresa en porcentaje de aumento de
volumen respecto al volumen inicial del suelo
Liacutemite Liacutequido
Es el contenido de humedad para el cual el suelo pasa
de un estado liacutequido a plaacutestico el ensayo que permite
determinar el liacutemite liquido consiste en colocar diferentes
muestras de suelo con humedad variable en un
recipiente o taza metaacutelica accionada por medio de una
manivela que se encarga de levantarla y dejarla caer
29
Fuente compilacioacuten propia tomado de Ensayos sobre suelos expansivos[en
liacutenea]lthttpwwwestudiosgeotecnicosinfoindexphpensayos-laboratorio-suelos-expansivosgt [citado en 5 de agosto del
2015]
Liacutemite liacutequido
repetidas veces Antes de inicia el ensayo se realiza una
ranura de diferentes dimensiones con una espaacutetula
contando el nuacutemero de golpes con el fin de que la ranura
quede frac12 pulgada cerrada Dichos datos se grafican y
cuando la curva obtenida corta la liacutenea correspondiente a
los 25 golpes se considera este valor como el limite
liquido del suelo
Liacutemite Plaacutestico
Es el contenido de humedad para el cual se cambia del
estado plaacutestico al semisoacutelido de tal manera que en el
estado plaacutestico el suelo es semi moldeable mientras que
en el semisoacutelido se agrieta amoldaacutendose El limite plaacutestico
queda definido cuando el suelo contiene justo la humedad
necesaria para que al amasar manualmente bastoncitos
de 03 cm estos no se agrieten y se rompan
Liacutemite de Retraccioacuten
Este liacutemite queda determinado por la miacutenima cantidad de
agua necesaria para llenar los poros de una muestra de
suelo seco a este liacutemite corresponde el menor volumen de
la masa del suelo determinado por la frontera entre el
estado soacutelido y semisoacutelido En las arcillas este liacutemite
alcanza el 5 y el 10 lo que indica que la capacidad
portante se incrementa a medida que disminuye el
porcentaje de humedad
Ensayo de Triaxial
A traveacutes de esta prueba se identifican las propiedades
de tensioacuten- deformacioacuten del suelo en este ensayo una
muestra de suelo ciliacutendrica normalmente con una
relacioacuten de altura-diaacutemetro se somete a dos
incrementos de tensioacuten axial y radial dicha muestra se
encuentra protegida con una membrana y las tensiones
radiales son impuestas por una presioacuten de confinamiento
en todas sus caras Los esfuerzos axiales son impuestos
por un vaacutestago que penetra la caacutemara de confinamiento
hasta que se produce la rotura
30
De esta manera se hace necesario identificar los tipos de deslizamientos que se
presentan en taludes los cuales generan un proceso de remocioacuten en masa
afectando de manera directa la poblacioacuten a niveles sociales econoacutemicos entre
otros identificados en la tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Fuente Compilacioacuten propia del libro de Suarez Jaime Diacuteaz Deslizamientos y estabilidad de taludes
31
ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL
BLANDO
ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES
TIPO IMAGEN
MATERIAL HOMOGENEO
MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
Seguacuten la composicioacuten y estructura del talud se produce un tipo deslizamiento esto
puede observarse en la tabla 3Efectos de la estructura en la formacioacuten de
deslizamientos de rotacioacuten donde se describe el efecto del deslizamiento
causado seguacuten la estructura del talud
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten
32
Por lo tanto Los paraacutemetros geomecaacutenicos son elementos necesarios que ayudan
a la comprensioacuten del anaacutelisis con respecto al comportamiento del suelo en el
presente trabajo se hace el estudio de los paraacutemetros descritos en la tabla 4
Paraacutemetros geomecaacutenicos
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Conociendo los paraacutemetros geomecaacutenicos que componen cada uno de los suelos
se identifica el concepto de remocioacuten en masa el cual es el desplazamiento de
grandes voluacutemenes de material superficial descrito de manera detallada en la
tabla 5Procesos de remocioacuten en masa
PARAacuteMETRO CONCEPTO ECUACIONES DESCRIPCIOacuteN
DENSIDAD
Relacioacuten entre la unidad de peso y la unidad de
voluacutemen de la fase soacutelida del suelo siendo maacutes o
menos constante ya que estaacute determinado por la
composicioacuten quiacutemica y mineraloacutegica de la fase
soacutelida
ρ=mV
ρ= densidad
m= masa
V= volumen
PESO ESPEacuteCIFICO
Se definen peso especiacutefico relativo a la relacioacuten entre
el peso especiacutefico de una sustancia y el peso
especiacutefico del agua destilada a 4 grados centigrados
sujeta a una atmoacutesfera de presioacuten
Pc=pV
Pc= Peso especigravefico
P=Peso
V= volumen
CARACTERISTICAS
ESTRUCTURALES
Se refiere a la orientacioacuten de las discontinuidades
tamantildeo y forma de rocas espaciado grado de
fracturacioacuten del macizo rocoso aacutengulo de inclinacioacuten
No aplica
EFECTO DEL AGUA
La estabilidad del talud y resistencia al cizallamiento
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos
33
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa
Fuente Ajustado de httpjulsgeoambientaljimdocomportafolioremocioacuten en masa
Es asiacute como el subsuelo o sustrato es la capa de suelo debajo de la capa
superficial de la tierra El cual incluye sustancias como arcilla yo arena que soacutelo
han sido parcialmente desglosadas por aire luz solar agua viento etc para
producir suelo verdadero Debajo del subsuelo estaacute el sustrato que puede
ser rocoso de sedimentos o depoacutesitos eoacutelicos en gran medida afectados por
factores formadores de suelo activo en el subsuelo El subsuelo contiene
LITOLOacuteGICOS ESTRUCTURALES TOPOGRAacuteFICOS ANTROacutePICOS TECTOacuteNICOS CLIMAacuteTICOS
El material superficial
se encuentra suelto y
puede ser removido
con facilidad en una
ladera por efecto de la
presioacuten de una
cantidad de agua
necesariamente si
bajo este material
superficial existe roca
consolidada e
impermeable
En el relieve se
presentan grietas o
diaclasas juntas que
por efecto de la
meteorizacioacuten fiacutesica
quiacutemica o bioloacutegica
provocan el
desmenuzamiento o
descomposicioacuten de
las rocas
Existen laderas de
montantildeas de colinas
con pendiente
abruptas o de terrenos
muy inclinados
En aacutereas con
pendientes
fuertemente taladas
(deforestadas) por el
hombre el material
superficial queda
expuesto a la
intemperie
Las ondas siacutesmicas
provocan el
desplazamientode
materiales
superficiales o de
unidades maacutes
importantes del relieve
como puede ser un
aacuterea accidentada o
no
Caen fuertes
precipitaciones o
caen de manera
continua provocan
deslizamientos sea
por aumento de
sobrecarga o por
cambios extremos en
las temperaturas las
cuales quiebran los
mantos rocosos
Es el desplazamiento de grandes voluacutemenes de material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por accioacuten directa de la fuerza de
gravedad hasta volver a encontrar un nuevo punto de reposo Los movimientos de masa se presentan sobre todo en la eacutepoca lluviosa o
durante una actividad siacutesmica
PROCESOS DE REMOCIOacuteN EN MASA
Se produce porque la fuerza actuante (sobrecarga) que es originada normalmente por el agua ejerce una presioacuten hacia abajo que rompe el
equilibrio existente hasta ese momento la gravedad proporciona la energiacutea adicional requerida para que se produzca el movimiento
descendente En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve se origina fundamentalmente por los movimientos siacutesmicos
FACTORES
CONCEPTO
ORIGEN
MOVIMIENTOS COMUNES
Formacioacuten de una superficiede ruptura recta o
curvada a partir de la cual se desplaza toda la
porcioacuten de terreno separada del conjunto con
la misma velocidad en todas sus partes
conservando su estructura y forma original
DESLIZAMIENTOS REPTACIOacuteN
Movimiento lento del suelo yo de detritos
rocosos cuesta abajo por lo general no
perceptible que afecta la parte superficial de
la ladera la capa de suelo y en algunos casos
la parte superior de la roca alterada Causas
lluvias o de fusioacuten de nieves que saturan los
suelos en ambientes huacutemedos y sobre
laderas con pendientes moderadas
DERRUMBAMIENTO
Incluye movimientos y caida directa de
material rocoso de variable dimensiones
Son causados por La fuerza gravitacional de
la tierra Grado e inestabilidad de fracturas de
la roca Efecto de meteorizacioacuten Efectos de
congelamiento del agua en las fracturas
34
partiacuteculas parcialmente degradadas por lo general de un tono maacutes claro de color
marroacuten o amarillo y contiene las raiacuteces profundas de las plantas grandes como los
aacuterboles
Existen diferentes meacutetodos de exploracioacuten para tomar muestras alteradas e
inalteradas
Una muestra alterada es aquella que estaacute constituida por material
disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales
para conservar las caracteriacutesticas de estructura y humedad in situ no
obstante en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua
original del suelo para lo cual las muestras se envasan en recipientes
impermeables y se transportan de forma que esteacuten protegidas de los
agentes atmosfeacutericos Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de
suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice y preparar especiacutemenes
compactados para someterlos a pruebas mecaacutenicas (SAHOP 1974)
Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura no
sufre de alteraciones quiacutemicas ni de humedad es decir conserva las
propiedades que teniacutea in situ Estas muestras se utilizan en el laboratorio
para identificar el tipo de suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice
y mecaacutenicas16
Las muestras inalteradas se obtendraacuten de suelos finos que pueden labrarse sin
que se disgreguen La obtencioacuten puede efectuarse en el piso o en las paredes de
una excavacioacuten como en un pozo a cielo abierto en la superficie del terreno
natural o en la de una terraceriacutea La excavacioacuten para obtener una muestra deberaacute
16Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015]
35
ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extraccioacuten de
la misma Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo
en su estado natural por lo que su obtencioacuten empaque y transporte requieren
cuidados especiales a fin de no alterarlas Las muestras deben ser identificadas
claramente Las superficies que esteacuten expuestas deben ser protegidas con
material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que
amortiguumlen las vibraciones que pudiera sufrir 17
5113 Problemas de los suelos expansivos en taludes y laderas ante
solicitaciones
Los terrenos con pendiente pronunciadas son aquellos que tienen susceptibilidad
ante fenoacutemenos como lo son los deslizamientos amplificacioacuten siacutesmica entre
otros18
Un sismo en materiales expansivos brindaraacute una respuesta dinaacutemica generada
por los suelos esto dependeraacute de las condiciones del esfuerzo de confinamiento y
del nivel de deformacioacuten que presenten los materiales de esta manera el suelo
no disipara energiacutea por poco amortiguamiento y la degradacioacuten a traveacutes de los
ciclos seraacute pequentildea lo cual indica una respuesta elaacutestica lineal Es asiacute como a
grandes deformaciones el suelo disipa mayor energiacutea por alto amortiguamiento y
la presioacuten de poro iguala el esfuerzo efectivo de confinamiento producieacutendose un
deterioro del suelo y por consiguiente la peacuterdida de resistencia por lo tanto la
respuesta es no lineal donde la rigidez decrece con el nuacutemero de ciclos19
17
Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015] 18
Criterio para calificar los suelos con fines urbanos [en liacutenea]lt httpesslidesharenetcarlosjcamachopresentacin-
de-la-materia-3742687gt [citado en 3 de octubre del 2009] 19
Comportamiento Dinaacutemico de las Arcillas [en liacutenea]
lthttpwwwptolomeounammx8080jspuibitstream132248521006014A4pdfgt[citado en 2 de enero del 2009]
36
Otro de las solicitaciones que modifican el estado de un talud se refiere a la
cantidad de agua que se infiltre por el suelo debido a que los periodos climaacuteticos
del antildeo se modifican y dependiendo de la cantidad de precipitacioacuten aumentaraacute o
disminuiraacute el nivel freaacutetico es asiacute como los suelos expansivos sufriraacuten aumento o
disminucioacuten de volumen seguacuten la cantidad de agua sea mayor o menor lo que
causara el hinchamiento en eacutepocas de lluvia y retracciones en eacutepoca seca
generando grietas y posterior rotura del suelo
Por consiguiente la gravedad podraacute causar deslizamientos con este tipo de suelos
De esta manera se presentaran perdida de asentamientos en muros y cimientos
deformacioacuten en pavimentos en las aceras movimientos de laderas y aparicioacuten de
cavidades por disolucioacuten de sales
En el caso de las cargas soportadas por suelos expansivos como lo son
pequentildeas zapatas soportando cargas livianas son faacutecilmente levantadas
mientras que cuando las zapatas son de gran tamantildeo y soportan cargas pesadas
no ocurre este proceso20
5114 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Dentro de los meacutetodos de exploracioacuten de suelos existen dos clasificaciones
meacutetodos directos y meacutetodos indirectos En la tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de
suelos se muestra una clasificacioacuten general de los meacutetodos de exploracioacuten maacutes
usuales y una breve descripcioacuten21
20
Villalaz Carlos Crespo Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta edicioacuten MexicoLimusa2004ISBN 968-18-6489-1
21 Tesis Meacutetodos de exploracioacuten de suelos [En liacutenea] lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en
23 de Junio de 2015]
37
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Meacutetodo Descripcioacuten
Meacutetodos
directos
Pozos a cielo
abierto
Es el meacutetodo maacutes satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo
Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse
en eacutel examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer
muestras alteradas e inalteradas Su aplicacioacuten eficiente resulta sobre suelos
cohesivos
Pala
posteadora
Es un meacutetodo manual de exploracioacuten somera que consiste en hincar un barreno y
obtener muestras del tipo alterado pero representativas en cuanto al contenido de
agua Se utiliza en lugares donde otros equipos mecaacutenicos no pueden ser usados
Tubo Shelby Consiste en un tubo afilado de 75 a 10 cm de diaacutemetro que se hincan a presioacuten
para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o
semiduros
Sondeo de
penetracioacuten
estaacutendar
Con esta teacutecnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la
resistencia al corte con el nuacutemero de golpes con el que se hinca el penetroacutemetro
una distancia de 30 cm El equipo consta de un penetroacutemetro el cual se hinca a
golpes mediante un martinete de 635 kg que cae desde 76 cm de alto
Muestreador
Denison
Consiste en dos tubos conceacutentricos que se hinca en el suelo para obtener
muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyeccioacuten de fluido de
perforacioacuten que se hace circular entre ambos tubos
Meacutetodos
indirectos
Meacutetodo
siacutesmico
Consiste en provocar una explosioacuten en un punto determinado del aacuterea a explorar
usando una pequentildea carga de explosivo usualmente nitro amonio Por la zona a
explorar se situacutean geoacutefonos cada 15 oacute 30 cm Este procedimiento se funda en la
velocidad de propagacioacuten de las ondas vibratorias de tipo siacutesmico a traveacutes de
diferentes medios materiales
Meacutetodo de
resistividad
eleacutectrica
Consiste en inducir una corriente eleacutectrica a traveacutes de los suelos de tal forma que
se presente una mayor o menor resistividad eleacutectrica para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo Mayores resistividades corresponden a rocas
duras siguiendo con rocas suaves y asiacute sucesivamente hasta valores menores
correspondientes a suelos suaves saturados
Meacutetodos
magneacuteticos y
gravimeacutetricos
Para el primero se utiliza un magnetoacutemetro que mide la componente vertical del
campo magneacutetico terrestre en la zona considerada en varias estaciones
proacuteximas entre siacute En los meacutetodos gravimeacutetricos se mide a aceleracioacuten del
campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar La informacioacuten
que proveen estos meacutetodos es algo erraacutetica y difiacutecil de interpretar
Fuente Ajustado de httptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdf
38
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 512
Se describen los diferentes meacutetodos de anaacutelisis en taludes con la finalidad de
observar la diferencia entre los mismos e identificar cuaacutel de ellos cumple con la
desarrollo del trabajo en el anaacutelisis del valor de factor de seguridad resumidos en
la graacutefica 2 Meacutetodos de caacutelculo
5121 Meacutetodos de equilibrio liacutemite
Se basan en leyes de la estaacutetica determinando el estado de equilibrio de un
terreno inestable No tienen en cuenta las deformaciones del terreno Suponen
que la resistencia al corte se moviliza total y concordantemente a lo largo de la
superficie de corte Se pueden clasificar en dos grupos
bull Meacutetodos exactos
bull Meacutetodos no exactos
5122 Meacutetodos exactos
El uso de las leyes de la estaacutetica da una solucioacuten exacta al problema Esto soacutelo es
posible en taludes de geometriacutea sencilla como por ejemplo la rotura planar y la
rotura por cuntildeas
5123 Meacutetodos no exactos
En la mayoriacutea de los casos la geometriacutea de la superficie de rotura no permite
obtener una solucioacuten exacta del problema solamente mediante la aplicacioacuten de las
leyes de la estaacutetica El problema es hiperestaacutetico y ha de hacerse alguna hipoacutetesis
previa que permita su resolucioacuten Se pueden tomar los meacutetodos que consideran el
equilibrio global de masa deslizante hoy en desuso y los meacutetodos de las dovelas
o rebanadas que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas
verticales
39
Los meacutetodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en
Meacutetodos aproximados que no cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica
Se pueden nombrar los meacutetodos de Fellenius Janbu y Bishop simplificado
Meacutetodos completos que cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica Los
conocidos son los meacutetodos de Morgenstern-Price Spencer y Bishop
riguroso
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo
Fuente Propia
A traveacutes de los meacutetodos de caacutelculo se desarrollan los meacutetodos de anaacutelisis para
estabilidad de taludes estos son de gran importancia para el desarrollo a nivel
numeacuterico con el fin de identificar que sucede en un talud al cambiar y modificar
ciertos paraacutemetros geomecaacutenicos mostrados dichos meacutetodos en la tabla 7
Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
40
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
Meacutetodo de
tablas o
nuacutemero de
estabilidad
Para los taludes simples homogeacuteneos se han desarrollado tablas que
permiten un caacutelculo raacutepido del factor de seguridad Existe una gran cantidad
de tablas desarrolladas por diferentes autores La primera de eacutestas fue
desarrollada por Taylor en 1966 Desde entonces han sido presentadas
varias tablas sucesivamente por Bishop y Morgenstern (1960) Hunter y
Schuster (1968) Janbuacute (1968) Morgenstern (1963) Spencer (1967)
Terzaghi y Peck (1967) y otros
Meacutetodo del
talud infinito
El meacutetodo del talud infinito es un sistema muy raacutepido y sencillo para
determinar el factor de seguridad de un talud suponiendo un talud largo
con una capa delgada de suelo en el cual cualquier tamantildeo de columna de
suelo es representativo de todo el talud Las suposiciones del meacutetodo del
talud infinito son las siguientes suelo isotroacutepico y homogeacuteneo talud
infinitamente largo y superficie de falla paralela al talud El principal uso del
meacutetodo del talud infinito es la elaboracioacuten de planos de amenaza a los
deslizamientos mediante el uso de SIGS
Meacutetodo del
bloque
deslizante
El anaacutelisis de bloque puede utilizarse cuando existe a una determinada
profundidad una superficie de debilidad relativamente recta y delgada La
masa que se mueve puede dividirse en dos o maacutes bloques y el equilibrio de
cada bloque se considera independientemente utilizando las fuerzas entre
bloques No considera la deformacioacuten de los bloques y es uacutetil cuando existe
un manto deacutebil o cuando aparece un manto muy duro sobre el cual se
puede presentar el deslizamiento
Meacutetodo
Ordinario o
de Fellenius
Conocido tambieacuten como meacutetodo Sueco meacutetodo de las Dovelas o meacutetodo
USBR Este meacutetodo asume superficies de falla circulares divide el aacuterea
de falla en tajadas verticales obtiene las fuerzas actuantes y resultantes
para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de
Seguridad
41
Meacutetodo de
Bishop
Bishop (1955) presentoacute un meacutetodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta
el efecto de las fuerzas entre las Dovelas El meacutetodo simplificado de Bishop
es uno de los meacutetodos maacutes utilizados actualmente para el caacutelculo de
factores de seguridad de los taludes Aunque el meacutetodo soacutelo satisface el
equilibrio de momentos se considera que los resultados son muy precisos
en comparacioacuten con el meacutetodo ordinario
Meacutetodo de
Janbuacute
El meacutetodo simplificado de Janbuacute se basa en la suposicioacuten de que las
fuerzas entre dovelas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de
cortante Janbuacute considera que las superficies de falla no necesariamente
son circulares y establece un factor de correccioacuten fo El factor fo depende
de la curvatura de la superficie de falla Estos factores de correccioacuten son
solamente aproximados y se basan en anaacutelisis de 30 a 40 casos
Meacutetodo de
Spencer
El meacutetodo de Spencer es un meacutetodo que satisface totalmente el equilibrio
tanto de momentos como de esfuerzos El procedimiento de Spencer
(1967) se basa en la suposicioacuten de que las fuerzas entre dovelas son
paralelas las unas con las otras o sea que tienen el mismo aacutengulo de
inclinacioacuten
Meacutetodo de
Morgenstern
y Price
El meacutetodo de Morgenstern y Price (1965) asume que existe una funcioacuten que
relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas Esta
funcioacuten puede considerarse constante como en el caso del meacutetodo de
Spencer o puede considerarse otro tipo de funcioacuten La posibilidad de
suponer una determinada funcioacuten para determinar los valores de las fuerzas
entre dovelas lo hace un meacutetodo maacutes riguroso que el de Spencer22
Adaptado de Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil
Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
22
Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-
Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
42
52 MARCO LEGAL
Para garantizar la viabilidad normativa del presente trabajo este se encuentra
acorde a los requisitos legales y normativos de la actualidad descritos en la tabla
8 Normatividad
Tabla 8 Normatividad
NORMA OBJETIVO
CE020 Estabilizacioacuten de
Suelos y de Taludes
Establecer las consideraciones teacutecnicas miacutenimas para el mejoramiento requerido de la resistencia de suelos y de la estabilidad de taludes
NSR 2010 Titulo H
Establecer criterios baacutesicos para realizar estudios geoteacutecnicos de edificaciones basados en la investigacioacuten del subsuelo y las caracteriacutesticas arquitectoacutenicas y estructurales de las edificaciones con el fin de proveer las recomendaciones geoteacutecnicas de disentildeo y construccioacuten de excavaciones y rellenos estructuras de contencioacuten cimentaciones rehabilitacioacuten o reforzamiento de edificaciones existentes y la definicioacuten de espectros de disentildeo sismo resistente para soportar los efectos por sismos y por otras amenazas geoteacutecnicas desfavorables
NSR 2010 Titulo A2
Establecer los valores de coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva para el disentildeo la cual se encuentra impliacutecita en la tabla A22 del cual se toma el valor 030 en una escala de 005 hasta 050 desde amenaza siacutesmica baja hasta amenaza siacutesmica alta lo que indica que para efecto de anaacutelisis y disentildeo de taludes se debe emplear la aceleracioacuten maacutexima del terreno en donde el coeficiente siacutesmico de disentildeo para anaacutelisis seudo estaacutetico de taludes KST tiene el valor inferior tomando asiacute el valor de 080 de suelos enrocados y macizos fracturados lo que implica ejecutar una operacioacuten matemaacutetica simple con el fin de obtener el valor de Aa adecuado para el disentildeo dinaacutemico del talud el cual es 025
Fuente Propia
43
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO
En este capiacutetulo se evidencia el enfoque que se expuso en el presente trabajo
dejando claras las caracteriacutesticas principales para el desarrollo de modelos que
presentan el factor de seguridad oacuteptimo en suelos expansivos
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN
El enfoque que se empleo es de caraacutecter cuantitativo y cualitativo ya que se tomoacute
como base de trabajo los estudios realizados en diferentes zonas compuestas por
suelos expansivos
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN
Cuenta con una investigacioacuten tipo analiacutetica ya que se desarrolloacute una matriz de
comparacioacuten entre paraacutemetros mecaacutenicos y geoteacutecnicos comunes en los suelos
expansivos en donde se buscoacute valores miacutenimos de factores de seguridad en
relacioacuten a paraacutemetros de resistencia condiciones geomeacutetricas y factores
naturales
63 DISENtildeO MUESTRAL
Para el trabajo se tiene en cuenta un talud con caracteriacutesticas geoteacutecnicas y
geomeacutetricas establecidas en donde ejecutoacute una comparacioacuten del comportamiento
del talud con respecto a valores de factor de seguridad para lo cual se realiza un
anaacutelisis de la poblacioacuten universo muestra individuo y variables descritas a
continuacioacuten
Poblacioacuten universo 631
La poblacioacuten universo de la investigacioacuten se basa en el anaacutelisis de taludes ya que
es el elemento maacutes grande del cual se tomoacute la muestra con el fin de ejecutar un
44
anaacutelisis de paraacutemetros geomecaacutenicos sobre el comportamiento de la presencia
de suelos expansivos frente a las variables correspondientes
Muestra 632
Consiste en 264 modelos ejecutados en SLIDEreg de donde se tienen en cuenta
valores de Ru= 00 025 y 05 con alturas de 10 m y 20 m aacutengulos de inclinacioacuten
de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm asiacute mismo se realizan 120 modelos adicionales en donde la
altura es de 10 m variando el valor de Ru=00 01 025 05 y aacutengulos de
inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm en donde se tiene en cuenta los paraacutemetros
geomecaacutenicos y geomeacutetricos para diferentes tipos de suelos expansivos
correspondientes
CH Arcilla de alta plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con alta
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
mayor de 50 tacto suave23
CL Arcilla de baja plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con baja
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
menor de 50 tacto suave24
MH Limo de alta plasticidad suelo de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse ante su esfuerzo mecaacutenico limite liquido menor de 50
tacto aacutespero25
23
El sistema unificado de clasificacioacuten de los suelos [en liacutenea]lt
ftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt [citado en 3 de noviembre del
2015]
24 Ibiacuted Cuadro 21
25 Ibiacuted Cuadro 21
45
Individuo 633
Taludes con presencia de suelos expansivos como arcilla de baja alta plasticidad
y limos de alta plasticidad en general
Variables 634
Caracteriacutesticas del suelo del talud humedad del suelo que conforma el talud
inclinacioacuten de talud aacutengulo de friccioacuten del suelo cohesioacuten nivel freaacutetico factor
de seguridad Tabla 9 Variables
Tabla 9 Variables
Fuente Propia
Se establece que para la medicioacuten de variables en el problema de investigacioacuten
del proyecto que se desarrolloacute el cual estaacute basado en el ANAacuteLISIS DE
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
EXPANSIVOS Los meacutetodos que se desarrollan en la estabilizacioacuten de taludes
son
VARIABLES
CUALITATIVAS Tipo de suelo CH CL y MH
CUANTITATIVAS
Humedad del suelo que conforma el talud ndash Nivel Freaacutetico
Inclinacioacuten de talud
Altura de talud
Angulo de friccioacuten
Cohesioacuten
Factor de seguridad
Sismo
46
Meacutetodo de Bishop simplicado a pesar de solo satisface el equilibrio de
momentos y no cumple con la totalidad de las ecuaciones de la estaacutetica
presenta exactitud frente a los resultados que se obtienen en comparacioacuten
con el meacutetodo ordinario de igual manera utiliza las dovelas teniendo en
cuenta las fuerzas entre las mismas y es uno de los maacutes utilizados para
calcular el factor de seguridad de los taludes la principal restriccioacuten del
meacutetodo es que solo considera las superficies circulares (Jaime
Suarez2002)
De igual manera se ejecuta el respectivo anaacutelisis por medio de Software Slidereg
en el cual se tienen en cuenta para los modelos los paraacutemetros descritos
anteriormente
Slidereg ya que es un programa con anaacutelisis de la filtracioacuten incorporando
elementos finitos y funciones que define directamente el usuario de esta
manera el estudio de sensibilidad permite determinar el efecto de las
variables en el factor de seguridad de un talud
64 FASES DEL PROYECTO
A traveacutes de las fases es posible identificar el orden cronoloacutegico en el que se
desarrolla el presente documento para cumplir el objetivo general que es analizar
el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos por
suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo que se
describen a continuacioacuten
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas
47
Actividad 1 Consultar en diferentes fuentes de informacioacuten definiciones de
los paraacutemetros geomecaacutenicos de suelos expansivos que seraacuten estudiados
Actividad 2 Investigacioacuten del subsuelo y conocimiento determinado de
suelos expansivos referenciando los meacutetodos de exploracioacuten
Actividad 3Identificacioacuten problemas que ocasionan estos materiales con
presencia taludes ante solicitaciones de gravedad infiltracioacuten sismo
escorrentiacutea y otros
Actividad 4 Recopilacioacuten de informacioacuten secundaria referente al
comportamiento de estos materiales
Actividad 5 Documentacioacuten de antecedentes referentes a deslizamientos y
amenazas que presente un talud compuesto por suelos expansivos
identificando coacutemo se estudian los deslizamientos y los problemas
geoteacutecnicos que se presentan en estos materiales
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 642
Actividad 1 Definicioacuten de los paraacutemetros a estudiar para la modelacioacuten en
taludes
Actividad 2 Elaboracioacuten de matriz para la definicioacuten del modelo
geoteacutecnico el desarrollo y respuesta del mismo
48
Actividad 3Realizar la instruccioacuten en programas de modelacioacuten para
estabilidad de taludes
Actividad 4 Modelacioacuten geoteacutecnica mediantes equilibrio liacutemite para las
diferentes condiciones de escenarios descritos en la matriz
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 643
Actividad 1Generacioacuten de graacuteficas de resultados de las modelaciones
para la revisioacuten del factor de seguridad
Actividad 2Anaacutelisis del comportamiento de los paraacutemetros geoteacutecnicos
definidos teniendo como base la modelacioacuten realizada en diferentes
escenarios
Actividad 3 Generacioacuten de graacuteficas finales de respuesta del
comportamiento de los paraacutemetros geomecaacutenicos
Actividad 4 Anaacutelisis de resultados respecto a la generacioacuten de graacuteficas
Actividad 6 Generacioacuten y redaccioacuten del documento final
Actividad 7 Generacioacuten de Articulo
49
7 DESARROLLO METODOLOacuteGICO
Por medio de la descripcioacuten detallada de conceptos se obtiene la identificacioacuten de
suelos expansivos a estudiar que como se menciona en el documento son
materiales compuestos por arcillas de alta y baja plasticidad y limos de alta
plasticidad en donde se identifica las caracteriacutesticas mecaacutenicas geoteacutecnicas
fiacutesicas que son claves al momento del anaacutelisis de cada uno de los modelos a
ejecutar en el software Slidereg con el fin de conocer el comportamiento de los
suelos en mencioacuten cuando se tienen variables de sismo nivel freaacutetico y
geometriacutea correspondiente a diferentes aacutengulos de inclinacioacuten 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
y una altura de 10 m 20 m y variaciones con respecto al paraacutemetro Ru de 00
01 025 04 05 en condiciones estaacutetica y dinaacutemica
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS
Se realiza una descripcioacuten detallada acerca de los suelos expansivos que
conforman un talud de los cuales se analiza el factor de seguridad como lo son
arcillas de baja y alta plasticidad y limos de alta plasticidad donde se identifican
las caracteriacutesticas que componen cada uno de estos suelos y la diferencia de los
mismos para su respectiva identificacioacuten descritos en la tabla 10 Descripcioacuten de
suelos expansivos
50
CH CL ML
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGAacuteNICO DE BAJA PLASTICIDAD
Arcillas inorgaacutenicas de alta plasticidad arcillas
grasas
Arcillas inorgaacutenicas de plasticidad baja a mediana
arcillas gravosas arcillas arenosas arcillas limosas
arcillas magras
Limos inorgaacutenicos y arenas muy finas harina de
roca arenas finas limosas o arcillosas o limos
arcillosos de ligera plasticidad
Suelo de grano fino
Diaacutemetro de las partiacuteculas comprendido entre
005 mm y 0005 mm
Color variacutea desde gris claro a muy oscuro
No suelen tener propiedades colidales
A partir de 0002 mm y a medida que
aumenta el tamantildeo de las partiacuteculas se
va haciendo cada vez mayor la
proporcioacuten de minerales no arcillosos
Partiacuteculas forma redondeada
Tacto aacutespero
Mayor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de masa
Se secan con relativa rapidez y no se
pegan a los dedos
Los terrones secos tienen una cohesioacuten
apreciable pero se pueden reducir a
Pueden ser colapsables
Fuerte olor a tierra Ligero olor a tierra Olor no caracteriacutestico a menudo ninguno
Consistencia alta Menor consistencia que las CH Consistencia baja
Estructura blanda Estructura menos blanda que las CH Estructura blanda
Alta capacidad de deformarse sin agrietarse ante
un esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten
al retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse ante un
esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten al
retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse
ante un esfuerzo mecaacutenico conservando la
deformacioacuten al retirarse la carga
Plaacutesticos Plaacutesticos Ligeramente plaacutesticos
Liacutemite liquido mayor de 50 arcillas de alta
contraccioacuten-dilatacioacuten Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos
Los terrones secos se pueden partir
pero no reducir a polvo con los dedos
No son colapsables
Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosos
Partiacuteculas forma laminar
Tacto suave
Menor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de
superficie
GRAacuteFICO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS DE GRANO FINO
SUELOS EXPANSIVOS
Son suelos que al ser humedecidos sufren una expansioacuten que pone en peligro a las estructuras cimentadas sobre ellos
Su comportamieno se caracteriza principalmente por
- La contraccioacuten debido al secado
- La expansioacuten al humedeserce
- Desarrollo de presiones de expansioacuten cuando estaacute confinado y no puede expandirse
Suelen tener propiedades colidales
Suelo de grano fino suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio
hidratados procedentes de la descomposicioacuten de rocas que contienen feldespato como el granito
Diaacutemetro menor de 0005 mm
Presenta diversas coloraciones seguacuten las impurezas que contiene desde el rojo anaranjado hasta el
blanco cuando es pura
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos
Fuente Adaptado de
[En liacutenea] ltftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt[citado en 15 de
octubre del 2015]
[En liacutenea] lt httpesslidesharenetfrkfirtinsuelos-expansivosgt[citado en 15 de octubre del 2015]
[En liacutenea] lthttpwwwfceiaunreduargeologiaygeotecniaDiferenciasgt[citado en 15 de octubre del 2015
51
UNIDAD SUELO-1 SUELO-2 SUELO-3
71 63 43
32 37 24
39 26 19
31 26 23
KNm3 132 139 146
KNm3 141 146 151
24 22 20
CH MH CL
CONTENIDO INICIAL DEL AGUA
CLASIFICACIOacuteN DEL SUELO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
LIMITE DE CONSISTENCIA
COMPACTACIOacuteN
OPTIMO CONTENIDO DE AGUA
DENSIDAD LIBRE MAacuteXIMA
PROPIEDADES FISICAS INALTERADAS DE LA MUESTRA DE SUELO
DENSIDAD LIBRE INICIAL
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLAacuteSTICO
INDICE PLAacuteSTICO
PROPIEDADES
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH
Es necesario conocer las propiedades fiacutesicas de los suelos descrita en la tabla
11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos ya que de estas depende el
comportamiento mecaacutenico que lo mismos presentan ante factores intriacutensecos y
extriacutensecos como los son lluvia y sismo siendo estos importantes al momento de
observar el proceso de remocioacuten en masa de un talud cuando se afecta por estos
factores
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A traveacutes del estudio realizado en el libro expansive Soils se obtienen este tipo de
propiedades fiacutesicas de los materiales que en el presente proyecto se desarrollan
descritos en la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos en el
estudio ejecutado se describe sobre los avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento en suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
52
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar los inconvenientes que la presencia de estos
puedan generar en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada
por la expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten o
dilatacioacuten que presentan debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel
freaacutetico
Por lo tanto el limite liacutequido que presentan los tipos de suelos analizados es para
un CH de 71 MH de 63 y CL de 43 lo que indica que este es el porcentaje
en el que cada uno de estos suelos pasa de un estado liacutequido a uno plaacutestico Es
asiacute como se observa que existe maacutes probabilidad de que ocurra este fenoacutemeno
con la arcilla de alta plasticidad
Con respecto al liacutemite plaacutestico se observan valores obtenidos para un CH 32
MH 37 y 24 que es cuando el suelo pasa de un estado semisoacutelido a uno
plaacutestico siendo mayor para el limo de alta plasticidad
De tal manera que se observa el Iacutendice de plasticidad bajo como por ejemplo del
19 para una arcilla de baja plasticidad la cual significa que un pequentildeo
incremento en el con tenido de humedad del suelo lo transforma de semisoacutelido a
la condicioacuten de liacutequido es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad
Por el contrario un iacutendice de plasticidad alto como por ejemplo del 39
perteneciente a la arcilla de alta plasticidad indica que para que el suelo pase del
estado semisoacutelido al liacutequido se le debe agregar gran cantidad de agua26
Tambieacuten se obtiene el contenido oacuteptimo de agua el cual permite la obtencioacuten de la
26
Liacutemites de Atterberg Iacutendice de Plasticidad Fluidez Retraccioacuten [en liacutenea]lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
53
densidad maacutexima mediante la compactacioacuten que seguacuten tabla 11 Es 31 para un
CH 26 para el MH y 23 para el CL Siendo este valor inversamente
proporcional a la densidad libre maacutexima debido a que entre mayor es el oacuteptimo
contenido de agua menor es la densidad maacutexima
De esta manera se obtienen las propiedades fiacutesicas de los suelos estudiados
haciendo la respectiva clasificacioacuten de los materiales correspondientes a suelos
expansivos
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS
Con el fin de lograr la identificacioacuten de cada uno de los materiales se seleccionan
los paraacutemetros geomecaacutenicos siendo los mismos importantes pues de estos
depende el comportamiento y el valor de factor de seguridad del talud cuando se
relacionan con paraacutemetros geomeacutetricos y de Ru ante factores estaacuteticos y
dinaacutemicos que se describen en los siguientes numerales a partir del 731
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 731
La seleccioacuten de paraacutemetros a raiacutez de la investigacioacuten realizada se consolidoacute
teniendo en cuenta los siguientes datos bibliograacuteficos
En el libro Expansive Soil se observa la descripcioacuten de un estudio donde se
evaluacutea la presioacuten de hinchamiento del suelo el potencial de hinchamiento y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada de muestras alteradas e inalteradas de
suelos expansivos De donde se describen tres tipos de suelos seleccionados de
la parte norte de Jordania con una amplia gama de contenido de arcilla
caracterizando las propiedades fiacutesicas de estos suelos como la gradacioacuten el
liacutemite plaacutestico y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco
54
maacuteximo y el contenido oacuteptimo de agua de donde se tienen en cuenta las normas
ASTM para consolidar los resultados en la Tabla 11 del presente documento
Razoacuten por la cual se toman valores de peso especiacutefico para MH CH y CL ya que
el estudio que se explicoacute anteriormente estuvo basado en muestras de suelos
inalteradas en zonas altamente arcillosas con caracteriacutesticas similares a las que
se analizan
Otro de los estudios realizados en el libro de Expansive Soils trata de una serie
completa de pruebas de la compresioacuten inconfinada (UC) no consolidado no
drenado (UU) triaxiales y columna resonante (RC) en donde se realizan sobre
muestras estabilizadas quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del
sureste de Arlington Texas despueacutes de haber sido sometido a ciclos repetitivos
de humectacioacuten-secado (WD) inducido artificialmente en el laboratorio Se
utilizan los resultados para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo
plazo la rigidez y unidimensional (1-D) hinchazoacuten y contraccioacuten como respuesta
del suelo tratado incluyendo la resistencia a la compresioacuten inconfinada
paraacutemetros de resistencia al corte sin drenaje moacutedulo de corte dinaacutemico y
material de amortiguacioacuten
Los Meacutetodos de estabilizacioacuten incluyen sulfato resistente cemento Tipo V bajo en
calcio clase F de ceniza volaacutetil cal viva y se mezcla con fibras de polipropileno
Dichas muestras de suelo tratadas se curaron durante 7 diacuteas y despueacutes se
sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la prueba UC UU y RCl Un
ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua potable en la sala
de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a 140 degF En cambio
las caacutemaras wd permiten el monitoreo de 1-D expansioacuten-contraccioacuten que brinda
respuesta durante wd repetido Una dosis por peso 10 de cemento Tipo V
parece dar mejor rendimiento general bajo wd ciacuteclico
55
Es de esta manera como se busca resumir los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados descritos en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
natural antes de ser tratado En la misma tabla indicada pero en la fuente
bibliograacutefica se presentan los demaacutes resultados como resumen de los paraacutemetros
de resistencia al cortante (c-ɸ) obtenidos de ensayos triaxiales UU que en este
caso se omitieron debido a que nuestro estudio estaacute basado en suelos expansivos
sin tratar
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no
drenado Suelo natural antes de ser tratado
Nuacutemero de
ciclos w-d C (psi) C (KPa)
de
cambio
ɸ
(deg)
de
cambio
Suelo
Natural
0 68 469 00 06 00
1 65 449 - 44 06 00
2 67 462 - 15 06 00
4 63 435 - 74 06 00
8 69 476 + 15 06 00
16 69 473 + 07 06 00
32 69 476 + 15 06 00
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 129 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681
Los valores que se encuentran resaltados en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
56
natural antes de ser tratado fueron utilizados en el trabajo para los paraacutemetros del
material arcilla de alta plasticidad (CH)
A continuacioacuten se presentan las figuras correspondientes a los efectos del
contenido inicial de agua en la presioacuten por hinchamiento para obtener los valores
de cohesioacuten en cada uno de los tipos de suelos estudiados para ello se tiene en
cuenta las propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos resumidos en la tabla
11 donde se especifica el contenido inicial () del agua asiacute CH 24 MH 22 y CL
20 valores con los que se ingresa en el eje vertical para las figuras
correspondientes al suelo compuesto por limo de alta plasticidad y arcilla de baja
plasticidad analizado en condiciones estaacuteticas (la condicioacuten dinaacutemica se tendraacute
en cuenta en el proceso de modelacioacuten)
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH
Tomado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 134 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
57
A partir de la figura 3 se obtiene un valor de
y a su
vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla
inorgaacutenica de alta plasticidad
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para CL
Tomado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 135 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A partir de la figura 4 se obtiene un valor de
y a su vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla inorgaacutenica de alta
plasticidad
En la investigacioacuten se encuentran diferentes paraacutemetros para distintos tipos de
suelos de los cuales se analiza y compara con la fuente del libro de Expansive
58
Soils seleccionando los apropiados para ejecutar la modelacioacuten en el software
Slidereg en la Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos en el cual se
evidencian valores comparados con la fuente confiable del libro
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Consistencia
Angulo de friccioacuten
interna
ɸ en grados
Peso
especiacutefico
Kgcm2
Arena gruesa
o arena con
grava
Compacta 40 2250
Suelta 35 1450
Arena media Compacta 40 2080
Suelta 30 1450
Arena limosa
fina o limo
arenoso
Compacta 30 2080
Suelta 25 1365
Limo uniforme Compacta 30 2160
Suelta 25 1365
Arcilla-limo Suave a
mediana 20 1440-1920
Arcilla limosa Suave a
mediana 15 1440-1920
Arcilla Suave a
mediana 01 1440-1920
Fuente Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos [En liacutenea] lt httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-
diferentes-propiedades-de-los-suelosgt [citado en 11 de noviembre del 2015]
59
7311 Paraacutemetros para limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Este tipo de materiales cuentan con suelos de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse antes los esfuerzos mecaacutenicos contando con un liacutemite
liquido menor de 50 Los paraacutemetros para este material se establecen en la tabla
13 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
LIMO INORGAacuteNICO DE ALTA PLASTICIDAD
(MH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 15 146
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se toman de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten correspondiente al efecto del contenido de agua inicial en la
presioacuten de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para MH En
donde se observa la seleccioacuten del paraacutemetro en la graacutefica 3 El efecto del
contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH Ingresando en el eje horizontal con el contenido inicial
del agua descrito en la tabla No 11 Propiedades Fiacutesicas de los suelos
expansivos en la cual se describe un contenido de agua inicial de 22
que para condicioacuten estaacutetica es de 140 Kpa como presioacuten de hinchamiento
60
que permite obtener el valor de la cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten los datos obtenidos de la web ingeniero civil
denominada Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten de la tabla 13
Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos que se encuentra en un blog
peruano creado en agosto de 2010 por John J Rojas se identifica como
un portal que dedica a compartir y difundir temas relacionados con la
ingenieriacutea civil desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico Se describe en el paacuterrafo introductorio del numeral 73 de
seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos y es tomado de la tabla 11
Propiedades fiacutesicas de los suelos
7312 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
La arcilla de alta plasticidad pertenece a suelos inorgaacutenicos de grano muy fino
con baja capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico su
liacutemite liacutequido es mayor a 50 presentando asiacute los paraacutemetros geomecaacutenicos a
continuacioacuten para el respectivo material descrito en la tabla 15 Paraacutemetros
geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
61
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA
PLASTICIDAD
(CH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
469 06 141
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se tomaron de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten se encuentran resumidos los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados el anaacutelisis es efectivo por que el suelo se
presenta en estado natural En la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al
corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural
antes de ser tratado
Aacutengulo de friccioacuten tomado para el suelo natural sin ninguacuten tipo de
estabilizacioacuten ni alteracioacuten en el contenido del mismo basada en las
condiciones iniciales de suelos expansivos despueacutes de haber sido sometida
dicha muestra a ciclos repetitivos de humectacioacuten-secado (WD) inducido
artificialmente en el laboratorio para identificar el comportamiento del mismo
en cuanto a la resistencia al cortante donde el aacutengulo de friccioacuten interna
determina su comportamiento junto con la cohesioacuten resumidas dichas
62
Condiciones en la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para
ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural antes de ser
tratado
Peso especiacutefico este valor se encuentra descrito en el paacuterrafo introductorio
de seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos Tabla 11 Paraacutemetros fiacutesicos de
los suelos expansivos
7313 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
La arcilla de baja plasticidad hace parte de los suelos inorgaacutenicos de grano muy
fino con baja capacidad de deformacioacuten sin sufrir de grietas ente un esfuerzo
mecaacutenico el liacutemite liquido es menor a 50 de esta manera en la tabla 16
Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) se
describen los paraacutemetros a considerar para la modelacioacuten ejecutada
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA
PLASTICIDAD
(CL)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 01 151
Fuente propia
63
Los paraacutemetros relacionados se toman de distintas fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten corresponde al efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten
de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para CL Ingresando en
el eje horizontal con el contenido inicial del agua descrito en la tabla 11
Propiedades Fiacutesicas de los suelos expansivos se describe un contenido de
agua inicial de 20 que para condicioacuten estaacutetica muestra un valor de 140
Kpa como presioacuten de hinchamiento que permite obtener el valor de la
cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten Se obtiene de la web del ingeniero civil denominada
Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten un blog peruano creado en
agosto de 2010 por John J Rojas descrito en la tabla 13 Paraacutemetros de
diferentes tipos de suelos en donde se tiene en cuenta el portal que se
dedica a compartir y difundir temas relacionados con la ingenieriacutea civil
desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico descrito en el paacuterrafo introductorio de seleccioacuten de
paraacutemetros geomecaacutenicos de la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos
expansivos
64
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 732
Para la seleccioacuten del valor cuando hay presencia de sismo en la modelacioacuten del
talud se tiene en cuenta la norma NSR-10 TITULO A de donde se selecciona el
valor del coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva el cual
se determina en su maacuteximo valor de amenaza siacutesmica igual a 030 descrito en la
Tabla A23-1 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y de Av descrito en la
figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y Av
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo A Capitulo A2 Zona de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de
disentildeo
El valor que se selecciona en el paacuterrafo anterior para una amenaza siacutesmica alta
se multiplica por el coeficiente Kst que se utiliza para el anaacutelisis y disentildeo de
taludes en donde se debe incluir la aceleracioacuten maacutexima del terreno teniendo en
cuenta el tipo de material terreo que se manejaraacute en el presente proyecto Tomado
de la tabla H52-1 de la norma sismo resistente Observado en la figura 6
Valores de Kst A max
65
Figura 6Valores de Kst A max
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5Excavaciones y estabilidad de taludes
Seleccionando el valor que pertenece a suelos enrocados y macizos muy
rocosos con un Kst de 080 ya que no se ejecutoacute ninguacuten anaacutelisis de amplificacioacuten
en los suelos expansivos de estudio
El valor se aproxima de 024 a 025 como coeficiente de aceleracioacuten de amenaza
siacutesmica en el disentildeo de los taludes en el software Slide reg
De tal manera que para el anaacutelisis de factor de seguridad de los taludes se tiene
en cuenta el capiacutetulo H en donde se especifican los valores maacuteximos para que el
talud se encuentre en amenaza por un fenoacutemeno de remocioacuten en masa El cual se
puede observar el la figura 7Factores de seguridad indirectos miacutenimos
66
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5 Excavaciones y estabilidad de taludes
7321 Paraacutemetro de presioacuten de poros Ru
Teniendo en cuenta que el Ru es una relacioacuten de poros y esfuerzo vertical se
seleccionan valores de 00 01 025 04 y 05 en donde a medida que aumenta
dicho valor indica el nivel de agua contenido en el suelo del talud para el valor
00 el suelo se encuentra de estado natural-huacutemedo en 025 es un nivel de agua
medio en el talud y 05 talud saturado
67
Paraacutemetros geomeacutetricos 733
En la etapa de recoleccioacuten de datos se investigaron tesis relacionadas con el tema
de donde se tuvo en cuenta el documento desarrollado sobre Influencia Del
Abatimiento Del Nivel Freaacutetico En El Caacutelculo del Factor De Seguridad Para La
Estabilidad De Taludes realizado por el Ingeniero Leonardo Leuro Antildeo
2015Universidad La Gran Colombia
Para lo cual se seleccionan diferentes alturas en la geometriacutea del talud y aacutengulos
de inclinacioacuten estudiados en el proyecto descrito anteriormente los cuales fueron
Aacutengulos 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Alturas de talud de 10 m y 20 m
74 DESARROLLO DEL MODELO
A traveacutes de los paraacutemetros geomecanicos y geomeacutetricos anteriormente descritos
se disentildean taludes con diferentes condiciones con el fin de lograr un anaacutelisis
completo de lo que se presenta en campo descrito en la tabla 17 Matriz de
disentildeo
68
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
Fuente propia
De la cual se generan los modelos teniendo en cuenta los diferentes aacutengulos y
alturas en estado dinaacutemico y estaacutetico para diferentes valores de Ru de donde se
obtienen valores de factor de seguridad para el material de Arcilla de alta
plasticidad limo de alta plasticidad y arcilla de baja plasticidad en el cual se
evidencian los paraacutemetros geomecaacutenicos descritos a partir del numeral 73
Paraacutemetros geomecaacutenicos del presente documento
000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447 2416 2184 1937 1471 1307 1139 1468 1466 1465 0909 0907 0906
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670 1575 1365 1146 0993 0851 0705 0733 0731 0729 0492 0490 0489
10 1991 1983 1975 1404 1398 1392 2007 1817 1624 1380 1246 1111 1377 1376 1374 0882 0881 0880
20 1008 1000 0991 0677 0670 0664 1246 1073 0902 0887 0756 0626 0689 0687 0686 0466 0464 0463
10 1810 1804 1798 1345 1340 1336 1654 1479 1319 1248 1131 1015 1251 1250 1248 0868 0867 0866
20 0958 0951 0945 0649 0644 0638 1011 0858 0705 0763 0646 0527 0623 0622 0621 0460 0459 0458
10 1548 1542 1536 1242 1238 1233 1306 1141 0981 1107 0988 0858 1069 1068 1067 0831 0830 0830
20 0779 0773 0767 0587 0582 0578 0797 0640 0485 0648 0534 0406 0536 0535 0534 0403 0402 0402
30
45
60
75
RuALTURAANGULO
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
Ru Ru
0
Ru
025
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
C (KNM2) φ γ(KNM2)
35 15 146
Ru Ru
C (KNM2) φ γ(KNM2)
CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
35 01 151
69
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 741
Se realiza el disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en
condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 0 en
donde se indica una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Que se
observa en la figura 8Modelo en Slidereg para un CH de donde se obtiene el valor
de factor de seguridad que se muestra en la figura 9 Factor de seguridad CH
estaacutetico
Figura 8 Modelo en slide para un CH
Fuente Propia
70
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico
Fuente Propia
De esta manera se realiza este procedimiento para los materiales de MH Limo de
alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
Se lleva acabo el disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de aacutengulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico brindando asiacute un
factor de seguridad que se muestra en la figura 11 Factor de seguridad para MH
estaacutetico
71
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad para dicho modelo descrito en la
figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Fuente propia
72
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12Modelo de Slidereg para un CL estaacutetico
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad del talud que se observa en la figura
13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Fuente propia
73
En el proceso de modelacioacuten se incluye la condicioacuten de sismicidad en donde en el
Software SLIDEreg se agrega en LOADING seismic load y se coloca el valor de
025 como coeficiente de amenaza siacutesmica Aa
De esta manera se tiene en cuenta la condicioacuten dinaacutemica la cual se realiza en el
disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 para una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Observado en la figura
14Modelo en Slide para un CH dinaacutemico
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico
Fuente Propia
74
Del anterior disentildeo se logra obtener el factor de seguridad que se observa en la
figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Fuente Propia
Es asiacute como se lleva a cabo este procedimiento para los materiales de MH Limo
de alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
El disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 con una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se observa en la figura
16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
75
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad observado en la figura 17 Factor de
seguridad para MH dinaacutemico
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico
Fuente propia
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 0 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 025 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12 Modelo de Slide para un CL estaacutetico el cual se observa
76
en la Figura 18 Modelo de Slide para un CL dinaacutemico
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad del talud en condicioacuten de sismo visto
en la figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Fuente propia
77
De esta manera se modifican en el modelo los valores de Ru=0 025 y 05 y las
alturas de 10m y 20m con aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
relacionaacutendolos entre siacute obteniendo el factor de seguridad para condiciones
estaacuteticas en 144 modelos en condiciones estaacuteticas y dinaacutemicas En la segunda
modelacioacuten se realiza el mismo procedimiento con 120 modelos incluyendo
valores de Ru= 01 y 04 con una altura especifica de 10 metros para diferentes
aacutengulos
De donde se obtiene como resultado la matriz de factores de seguridad que se
muestra en la tabla 17 Valores de factor de seguridad
Tabla 17Valores de factor de seguridad
Fuente propia
De estos resultados se efectuacutea el anaacutelisis de graacuteficas que se observa en el
numeral 8anaacutelisis de resultados comparando el factor de seguridad vs el aacutengulo
para diferentes alturas del talud con presencia de CH MH y CL en
condiciones dinaacutemicas y estaacuteticas como se muestra en la figura 20 Comparacioacuten
de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para Ru=00
CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670
0
Ru
025
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
30
RuALTURAANGULO
78
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten
estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
Fuente propia
De esta manera para los 120 modelos donde los Ru= 00 01 025 04 y 05 con
una altura de 10 metros y aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75 ordm se
elaboran las graacuteficas en Excel con el fin de hacer una comparacioacuten de cada uno
de los aacutengulos con respecto al valor de factor de seguridad vs ru en estado
dinaacutemico y estaacutetico que se muestra en la Figura 21 Graacutefica Factor de seguridad
Vs Ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y altura de 10 m en CH
MH y CL de esta manera se estudian los comportamientos respectivamente en el
iacutetem 8anaacutelisis de resultados
79
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente propia
Con el fin de obtener la cohesioacuten a la que un talud compuesto por suelos
expansivos con aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm a una altura de 10 metros cumple
con los factores de seguridad expuestos en el numeral 732 Seleccioacuten de valores
de sismo y ru en estado estaacutetico y dinaacutemico se ejecuta una sensibilizacioacuten del
paraacutemetro cohesioacuten para los diferentes modelos modificando asiacute el valor de ru
en 00 01 025 04 y 05 siendo 00 la condicioacuten seca o en estado natural del
suelo 025 condicioacuten intermedia de nivel de agua en el talud y 05 condicioacuten de
saturacioacuten mientras que 01 y 04 son valores intermedios
Se realiza el siguiente procedimiento con cada uno de los modelos en donde se
encuentra una modificacioacuten de la geometriacutea (aacutengulo) el valor ru y su condicioacuten
estaacutetica o dinaacutemica
80
1 Se toma como ejemplo el modelo de talud para10 metros con un aacutengulo
de 30ordm con material de arcilla de alta plasticidad se verifica que se
encuentre la seleccioacuten en anaacutelisis Project settings statistics y se
selecciona sensitivity analysis Como se muestra en la figura 22
Sensitividad de paraacutemetros
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros
Fuente propia
2 Se seleccionan las variables y se escriben los valores de cohesioacuten que en
este caso son de 469 knm2 para CH 35 knm2 para CL y 35 knm2 para
MH en cada uno de los modelos correspondientes a cada material y con
su respectiva geometriacutea determinando los rangos de las variables que en
este caso se manejan 20 por encima y por debajo para el CH y 30 por
encima y por debajo para el CL y MH como se muestra en la figura 23
Rangos de variables
81
Figura 23 Rangos de variables
Fuente propia
3 Se corre el modelo con el fin de obtener la falla que presenta el talud y
cuando se obtiene se da clic en statistics sensitivity analysis plot se
selecciona cohesioacuten y el meacutetodo que para este caso es bishop y se da clic
en plot de donde se obtiene la graacutefica factor de seguridad vs cohesioacuten Que
se muestra en la figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud
compuesto por CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
82
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con altura de
10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
Fuente propia
4 La figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por
CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm se exporta a Excel y
se realiza el mismo procedimiento para los aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
para cada uno de los materiales CH MH y CL de donde se modifica la
condicioacuten de ru y de estaacutetico a dinaacutemico de donde se obtienen las graacuteficas
correspondientes a cada uno de los aacutengulos por cada material Como se
muestra en la figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH CL y
MH con altura de 10 m con ru=00 01025 04 y 05 en condicioacuten
estaacutetica y seudo-estaacutetica
83
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con ru=00 en
condicioacuten estaacutetica
Fuente propia
5 Al obtener las graacuteficas para CH MH y CL con condiciones de ru=00 01
025 04 y 05 se traza un liacutenea horizontal en el valor de 15 para condicioacuten
estaacutetica y en 105 para condicioacuten dinaacutemica que se describen en la tabla
7Factores de seguridad indirectos miacutenimos tomados de la NSR-10 y una
liacutenea vertical que intersecta con la liacutenea horizontal con las pendientes
correspondientes a cada uno de los valores de factor de seguridad vs
cohesioacuten que se realiza para cada aacutengulo encontrando asiacute el valor de
cohesioacuten de tal manera que los mismos indican que para las condiciones
geomeacutetricas descritas los valores de cohesioacuten que se muestran en el
anexo 4 Valores de cohesioacuten para suelos expansivos cuando se tiene un
84
valor menor al mostrado en la tabla los valores de factor de seguridad no
cumplen y es necesario realizar una modificacioacuten en el talud con el fin de
obtener estabilidad en la estructura El procedimiento para la obtencioacuten del
valor de cohesioacuten se realiza como se muestra en la figura 26 Valor de
cohesioacuten para un CH con ru=00 en condicioacuten estaacutetica para aacutengulos de
30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y 05 en
condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
85
86
87
88
89
Fuente propia
6 A traveacutes de este proceso se obtienen los resultados que se muestran en el
anexo 4Valores de cohesioacuten para suelos expansivos
90
8 ANALISIS DE RESULTADOS
A continuacioacuten se presentan los resultados y anaacutelisis de comportamiento de los
taludes compuestos por suelos expansivos Dichos resultados se asocian al valor
de factor de seguridad de los modelos disentildeados en el software Slidereg de
acuerdo a paraacutemetros geomecaacutenicos descritos en el titulo 73 Seleccioacuten de
paraacutemetros encontrados en el libro Expansive Soils de Amer Ali Al-Rawas amp
Mattheus FA Goosen de tal manera que los resultados se asocian a diferentes
condiciones como los son dinaacutemicos y estaacuteticos y cambios en el valor de ru con
respecto a alturas de 10 metros y 20 metros
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=0 en
CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 27 se analiza un comportamiento la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten en un 28 para estado
estaacutetico dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
91
expansivos siendo evidente que la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) tanto
para la altura de 10m como para la de 20m presenta un porcentaje de reduccioacuten
136 y 212 en comparacioacuten a los demaacutes tipos de suelos expansivos debido
a que tiene menor consistencia
Por lo tanto el limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor
aacutengulo de inclinacioacuten muestra un factor de reduccioacuten de 59 sin embargo su
factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada
a medida que aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas es menor
al aumentar la inclinacioacuten del talud FS disminuyendo de manera leve
En la graacutefica se evidencia que cerca de los 60deg de inclinacioacuten del talud para una
altura de 20 m MH y CH se comportan de manera similar con un factor de
seguridad de 101 y 096 equivalente al 55 respectivamente lo que indica
inestabilidad seguacuten la norma NSR-10 Tiacutetulo H Tabla H69-1 donde se especifica
que la estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetico debe ser
de 150 Mientras que en un talud de 10 m cerca de los 45deg de inclinacioacuten tanto el
MH como el CH presentan un comportamiento similar con un factor de seguridad
de 2 cumpliendo el factor miacutenimo que rige la Norma NSR-10
Al observar en la graacutefica la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) en un talud
de 20 m a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten presenta inestabilidad auacuten en condicioacuten
estaacutetica y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru
Finalmente en condiciones estaacuteticas y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru el material
oacuteptimo es CH solo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier
inclinacioacuten muestra estabilidad con un factor de reduccioacuten del 28 Cumpliendo
con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
92
Es asiacute como es preciso aclarar que en cualquier caso el FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 28 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y el paraacutemetro ru dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un talud de altura de 20m
cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 correspondiente a
150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo representa con
paraacutemetro ru el cual afecta de manera directa al talud
Uno de los factores de gran importancia es la geometriacutea que representa el talud
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
93
debido a que para un talud de 10 m hasta 20 metros el factor de reduccioacuten oscila
entre el 40 al 60
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo su factor de seguridad
disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada a medida que
aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas (C) es menor al
aumentar la inclinacioacuten del talud el FS disminuye de manera leve Este
comportamiento continua siendo caracteriacutestico de este material pues al ser
comparado con la Figura 27 el material es inadecuado no solo al aumentar la
inclinacioacuten sino tambieacuten a la presencia de agua en el suelo
En la graacutefica se puede evidenciar que cerca de los 50deg de inclinacioacuten para una
altura de 20 m MH y CH se comportan con un valor de 17 de manera diferente
quiere decir que su porcentaje restante su comportamiento es igual Sin llegar a
cumplir con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de 10 m
cerca de los 30deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CH presentan un
comportamiento similar cumpliendo con FS=21
Finalmente en condiciones estaacuteticas y con ru=025 el material oacuteptimo es CH
soacutelo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra
estabilidad modificado con el 28 de probabilidad Cumpliendo con el valor
miacutenimo establecido en la NSR-10
Entonces es preciso aclarar que en cualquier caso FS inversamente proporcional
al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
94
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 29 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y en condicioacuten criacutetica de saturacioacuten con ru=05
dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un
talud de altura de 20m cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-
10 correspondiente a 150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo
afecta de manera directa al talud y al comportamiento mecaacutenico del suelo
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 ESTAgraveTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
95
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material genera
condiciones inadecuadas no solo al aumentar la inclinacioacuten sino tambieacuten a la
presencia de agua en el suelo En donde se evidencia que para un CH con
presencia de ru= 00 hasta ru=05 su factor de reduccioacuten se ve modificado en un
1 mientras que para MH da un valor de 1982 y para un CL de 01
Cabe resaltar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para una altura de 20 m MH y
CH se comportan de manera similar con un FS=100 lo que indica estabilidad
pero no cumple con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de
10 m cerca de los 70deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CL presentan un
comportamiento similar con FS=125 A partir de eacuteste uacuteltimo anaacutelisis es importante
aclarar que el MH ya no se relaciona con el comportamiento del CH sino del CL
Finalmente en condiciones estaacuteticas y condicioacuten criacutetica de ru=05 el material
oacuteptimo sigue siendo CH como en los casos anteriores pero solo en un talud de
10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con factores
de reduccioacuten que no cambian bruscamente si no que oscilan entre el valor de
338 hasta 332 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo lo descrito anteriormente indica que en cualquier caso se analiza que el
FS es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
96
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=000
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 30 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
dinaacutemica con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica de 025 descrito en la
seleccioacuten de valores de sismo (iacutetem 732) del presente proyecto ninguno de los
materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m de
altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo afecta de
manera directa al talud
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
97
El MH es el material que a menor aacutengulo de inclinacioacuten de 51ordm en condiciones
dinaacutemicas muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material presenta
comportamientos mecaacutenicos deacutebiles no solo al aumentar la inclinacioacuten sino
tambieacuten a la presencia de un sismo lo cual se evidencia en el 187 con ru=00
y se evidencia en ru=05 con un porcentaje de 669
De tal manera se evidencia que a los 45deg de inclinacioacuten para el MH en un talud
de altura de 20 m y un CL con un talud de 10 m de altura se comportan de
manera similar comparaacutendolo con una diferencia del 08 de tal manera que a
pesar de sus diferencias dichos factores le generan inestabilidad a el talud Por
lo tanto para un aacutengulo de inclinacioacuten de 30deg y una altura 10 m su inferencia con
respecto al factor de seguridad es del 1 cumpliendo asiacute para los valores
descritos en la matriz de resultados con la NSR-10
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo sigue siendo CH como
en los casos anteriores ya que cumple con el 313 pero solo en taludes de 10
m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre
1242 y 146 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo ello indica que en cualquier caso se analiza que FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura aun en condiciones dinaacutemicas
98
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 31 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales que se analizan en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de
10 m de altura cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo y de agua en el
suelo afecta de manera directa al talud teniendo en cuenta que el factor de
reduccioacuten para un CH es de 505 en condiciones de 75ordm de inclinacioacuten
mientras que para MH es mayor pues es de 628 y para el CL de 504
De esta manera se observa que a los 60deg de inclinacioacuten para el MH y el CL en un
talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un factor de
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
99
reduccioacuten de 256 lo que indica inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta
para todos los materiales en un talud de 20 m de altura y en una altura de 10 m
para los CL
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo continuacutea siendo CH
como en los casos anteriores pero solo en un talud de 10 m de altura puesto que
frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre 1238 y
1454 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10 Sin embargo el
MH tambieacuten se comporta de manera adecuada hasta inclinaciones de 60deg puesto
que bajo estas condiciones presenta FS entre 1131 y 1307
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 32 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
100
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m
de altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 esto se
debe a que la presencia de sismo y de agua en el suelo afecta de manera directa
al talud siendo el factor de reduccioacuten para las arcillas cercano al 1 mientras que
para los limos da superior al 20
Es asiacute como se puede observar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para el MH y
el CL en un talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un
porcentaje igual de 447 lo que con lleva a que el comportamiento mecaacutenico del
suelo no es igual y genera inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta para
todos los materiales en un talud de 20 m de altura y el CL en una altura de 10 m
En condiciones dinaacutemicas el material con las mejores caracteriacutesticas se suelo es
el CH como en todos los casos mencionados anteriormente pero solo en un talud
de 10 m de altura puesto que frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra
estabilidad con FS entre 1233 y 1447 Sin embargo el MH tambieacuten se comporta
de manera adecuada hasta inclinaciones de 45deg puesto que bajo estas
condiciones presenta FS entre 1111 y 1139
Es asiacute como se concluye que FS es inversamente proporcional al aacutengulo de
inclinacioacuten a la altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica al ser comparado
entre los modelos con las diferentes condiciones de sismo
Es evidente la influencia que tiene la presencia de agua en los suelos expansivos
a continuacioacuten se presenta un anaacutelisis del comportamiento de los suelos ante la
variacioacuten del paraacutemetro ru para taludes con una altura de 10m con el fin de
analizar cuaacutel de estos materiales se ve maacutes afectado por dicho paraacutemetro
101
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 33 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad (FS) de manera
insignificante al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y 05 con
factores de reduccioacuten de 392 hasta 328 desde 30ordm de inclinacioacuten hasta 75ordm
respectivamente cumpliendo con el factor de seguridad descrito en la NSR-10
(15 en condicioacuten estaacutetica) A diferencia del limo inorgaacutenico de alta plasticidad
(MH) que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a medida que
aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS entre 2416 y 1937 Por otro lado la
arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH) disminuye FS de 2127 a 2105 a medida
que aumenta el paraacutemetro ru
A partir de lo mencionado es claro que el factor de seguridad es inversamente
proporcional al paraacutemetro ru puesto que a mayor presencia de agua en el suelo
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
000 020 040 060
FS
RU
30ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
102
menor factor de seguridad el cual se hace evidente en el cambio que se presenta
para los diferentes materiales que como ejemplo se cita del CH que para un
aacutengulo de 30ordm 10 metros de altura con ru=0 hasta 05 brinda un factor de
reduccioacuten del 1034
Se evidencia que el CH tiene un comportamiento constante frente al cambio del
factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas cumplen con respecto al valor
brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se establece
a 105 pues los valores del FS oscilan entre 1460 hasta 1447 que comparado
con el material de MH para un aacutengulo de 30ordm la diferencia estaacute en un 1306
mientras que para el CL es de 309
El CL el FS es de 0909 hasta 0906 donde el ru=00 y ru=05 teniendo
posibilidades altas de falla con respecto a los materiales CH y MH siendo
afectado cada uno de los suelos por la condicioacuten dinaacutemica que hace a los
materiales propensos para que ocurra fenoacutemenos por remocioacuten en masa
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 30deg y una altura de 10 m
todos los materiales son oacuteptimos siendo MH el mejor de ellos representado en
porcentajes de 1982 hasta el 3914 Mientras que en dinaacutemico el CL No
cumple en ninguacuten momento con los paraacutemetros establecidos por la norma sismo
resistente mientras que los otros materiales si hasta cierto aacutengulo de inclinacioacuten
como se especifica en el anexo 3 Modelacioacuten adecuada para taludes compuestos
por suelos expansivos
103
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 45deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 34 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad a medida que
aumenta el contenido de agua en el suelo al igual que el CH y MH
De tal manera que para el material CH los valores de ru=00 entre el 1 al 29
esto se debe a que la modificacioacuten que le pueda llegar a generar el agua al suelo
es miacutenima frente al resto de materiales pues en el MH da un valor del 30 Lo
cual indica que existe un paso raacutepido del agua por las partiacuteculas del suelo
generando asiacute que en condicioacuten estaacutetica para una inclinacioacuten de 45deg el CL no
cumpla con respecto al factor de seguridad de la norma NSR-10 mientras que
MH y CL si siendo CH el material maacutes oacuteptimo para estas condiciones de talud
Se infiere que al aumentar el aacutengulo a 45ordm el factor de seguridad disminuye
siendo dicho valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0500
1000
1500
2000
2500
000 020 040 060
FS
RU
45ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
104
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 se observa que para los
suelos CH y MH cumple para el aacutengulo de 45ordm mientras que para el suelo CL no
cumple con dicha condicioacuten cuando presenta un fenoacutemeno de sismo
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 60deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 35 se evidencia que CL describe un comportamiento constante que
disminuye FS en un 27 al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y
05 con FS entre 024 a 044 respectivamente incumpliendo la NSR-10 A
diferencia del MH que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
000 020 040 060
FS
RU
60ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
105
medida que aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS Por otro lado en el suelo
compuesto por CH disminuye en 14 a medida que aumenta la condicioacuten de
agua
Se observa que el CH presenta un comportamiento constante frente al cambio
del factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas que cumplen con respecto al
valor brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se
establece a 105
De tal manera que el comportamiento para el MH se evidencia que el FS es
inversamente proporcional al factor ru debido que al aumentar las condiciones de
ru en el talud el FS disminuye cumpliendo con el valor miacutenimo descrito en NSR
10 hasta un ru de 04
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 45deg y una altura de 10 m
solo el CH y MH cumplen con el factor siendo materiales oacuteptimos para el disentildeo
siendo CH el mejor de ellos en condicioacuten dinaacutemico el CL no cumple con el factor
de seguridad miacutenimo establecido mientras que el CH es un material oacuteptimo para
las diferentes condiciones establecidas el MH en cambio cumple con aacutengulos
menores a 72ordm con un ru=025 mientras que en condiciones totalmente
saturadas cumple para aacutengulos de inclinacioacuten menores a 59ordmcomo se evidencia
en el anexo 3modelacioacuten adecuada para taludes compuestos por suelos
expansivos
106
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 75deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
En la figura 36 se evidencia que para condiciones estaacuteticas el FS se cumple
para el material de CH mientras que para los otros materiales de MH y CL no
cumple con las condiciones debido a que se encuentra por debajo de lo
establecido que es de 15 con la altura de 10 m De esta manera se evidencia en
los tres materiales que el FS es inversamente proporcional al ru con cambios de
08 en el valor del ru=0 hasta un 15 para un CH mientras que para el MH
varia entre el 2488 hasta el 3734 y para un CL la variacioacuten es de 018 a
025 pues entre mayor es dicho coeficiente menor es el factor de seguridad
Siendo afectado igualmente por el aacutengulo de inclinacioacuten y la geometriacutea del talud
Es asiacute como se infiere que al aumentar el aacutengulo a 75ordm el factor de seguridad
disminuye siendo el valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
000 020 040 060
FS
RU
75ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
107
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 cuando se encuentra
amenazado por un factor de sismo se observa que para los suelos CH cumple
para el aacutengulo de 75ordm mientras que para el suelo MH cumple hasta condiciones
de ru= 01 lo que indica que para condiciones de ru= 025 04 y 05 no cumpliriacutea
con dicha condicioacuten es asiacute como se observa el CL no cumple las condiciones
miacutenimas para el factor de seguridad en condiciones dinaacutemicas
Al realizar los diferentes modelos con las condiciones descritas se observa que el
paraacutemetro geomecaacutenico que modifica el comportamiento de los suelos expansivos
presentes en un talud es la cohesioacuten por lo tanto se ejecuta sensibilizacioacuten del
paraacutemetro y se hace una anaacutelisis del comportamiento que presenta frente a
cambios de geometriacutea y paraacutemetro ru de donde se observa que de los valores
descritos en el anexo 4 Para un ru establecido con una altura y aacutengulos
seleccionados se debe tener una cohesioacuten mayor al valor presentado en la tabla
pues se tiene en cuenta que a partir de un factor de seguridad en condiciones
estaacuteticas 15 los valores de cohesioacuten deben estar por encima de dicho valor
mientras que en condiciones dinaacutemicas deben estar por encima del valor de 105
lo que indica que entre mayor sea el valor de cohesioacuten a los valores determinados
mayor seraacute la atraccioacuten y unioacuten de las partiacuteculas del suelo evitando asiacute que se
presente un proceso de remocioacuten en un talud aumentando respectivamente el
factor de seguridad
108
9 CONCLUSIONES
Se definieron los paraacutemetros geomecaacutenicos de los materiales que se analizan en
cada una de las modelaciones (arcillas y limos) a partir de la informacioacuten descrita
en los antecedentes del presente trabajo de grado Gracias al libro de Amer Ali Al-
Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soil En Effect of remolding
techniques on soil swelling and shear strength properties Londres Taylor amp
Francis e-Library 2006 a partir del cual se obtiene detalle sobre los
comportamientos de suelos expansivos en taludes de tal manera que se ejecutan
diferentes modelaciones en las que se tienen en cuenta cambios en la geometriacutea
con el fin de comparar los factores de seguridad a traveacutes de graacuteficas de las cuales
se concluyoacute
El factor de seguridad es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la
altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica de donde se observa
detalladamente la influencia de la altura en el disentildeo del talud en el cual se
identifica que para alturas de 20 m conformado por este tipo de suelos bajo esta
condiciones de modelacioacuten los factores de seguridad tanto en condiciones
dinaacutemicas como estaacuteticas estaacuten por debajo del valor descrito en la Norma Sismo
Resistente Colombiana tiacutetulo H tabla H69-1 en donde se especiacutefica que la
estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetica debe ser de 150
y para condicioacuten dinaacutemica 105 sin embargo para los taludes con alturas de 10 m
se identifica que los suelos compuestos por arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(MH) son materiales con excelentes comportamiento en condicioacuten estaacutetica y
dinaacutemica mientras que el limo inorgaacutenico de alta plasticidad es oacuteptimo en
condiciones criacuteticas con sismo y ru=05 para inclinaciones de 45deg o menores y
con sismo y ru=025 inclinaciones de 60deg o menores
109
La arcilla de alta plasticidad (CH) contiene una cohesioacuten mayor comparada a la
de la arcilla de baja plasticidad (CL) y al limo de alta plasticidad (MH) lo que
indica una mayor resistencia a la presencia de agua lo que genera mayor
estabilidad en el talud asiacute mismo el CH por presentar un valor de liacutemite liacutequido
mayor es susceptible al cambio de estado de plaacutestico a liacutequido contrario a lo que
sucede con el MH ya que su liacutemite plaacutestico es mayor al resto de los suelos debido
a esto es susceptible al cambio de estado de semi-soacutelido a plaacutestico De igual
manera para que la arcilla de alta plasticidad cambieacute de estado es necesario que
el suelo presente un mayor valor de ru=05 que en suelos expansivos este valor
es hasta 067
Para las modelaciones que se realizan en el presente proyecto se utiliza el
software Slidereg el cual resulta de faacutecil manejo con respecto al anaacutelisis del factor
de seguridad en diferentes condiciones de ru en estado dinaacutemico y sismo Asiacute
mismo el meacutetodo utilizado (Bishop simplificado) es un meacutetodo que a pesar de solo
satisfacer el equilibrio de momentos y no cumplir con la totalidad de las
ecuaciones de la estaacutetica presenta exactitud frente a los resultados que se
obtienen en comparacioacuten al meacutetodo ordinario El cual utiliza las dovelas en donde
se tiene en cuenta las fuerzas entre las mismas siendo el maacutes utilizado para
calcular el factor de seguridad de los taludes la uacutenica restriccioacuten que presenta es
que solo considera las superficies de falla circulares
Con respecto al aacutengulo de inclinacioacuten en un talud el mismo tiene una afectacioacuten
directa del factor de seguridad ya que a medida que la reconformacioacuten geomeacutetrica
del talud aumenta se genera una condicioacuten de inestabilidad directa con respecto
a la geometriacutea lo que se evidencia en las graacuteficas para un talud de 30ordm a 75ordm
respectivamente en un 28 en estado estaacutetico y un 16 en estado dinaacutemico para
un MH en estado estaacutetico es un factor de reduccioacuten de 59 mientras que en
dinaacutemico es del 42 y para CL es de 27 para dinaacutemico y estaacutetico
110
10 RECOMENDACIONES
Dentro de las recomendaciones se exponen las diversas limitaciones existentes en
cuanto a paraacutemetros geomecaacutenicos que se usan en las modelaciones y los
meacutetodos para observar el comportamiento mecaacutenico del suelo y el caacutelculo del
factor de seguridad
Para los paraacutemetros geomeacutetricos de los taludes modelados se recomienda el
disentildeo de taludes de 45deg a 60deg dependiendo del espacio del terreno ya que una
mayor inclinacioacuten implica mayores costos y el talud se hace susceptible a sufrir
procesos de remocioacuten en masa Asiacute mismo se recomiendan alturas de 10 m para
este tipo de suelos expansivos ya que mostraron mejores factores de seguridad
Cuando se tiene presencia de limos de alta plasticidad se hace necesario tener
inclinaciones en los taludes menores a 67ordm con alturas de 10m y Ru=0 mientras
que para un Ru=025 se recomienda hacer el disentildeo de un talud con una
inclinacioacuten menor a 51ordm y en estado dinaacutemico con una inclinacioacuten menor a 72ordm y
con un Ru=05 menor a 59ordm con el fin de que cumpla con los criterios descritos en
la Norma Sismo Resistente Colombiana titulo H
Para obtener el disentildeo de un talud en el presente proyecto de grado se
recomienda tener precisioacuten en el suelo sobre el cual se vaya a disentildear debido a
que se presenta los paraacutemetros geomecaacutenicos para resultados de factores de
seguridad que dependen por completo de la definicioacuten de los mismos y al
variarlos no se comportaraacuten de la manera en que se analizoacute en el presente trabajo
de grado Esto se comprueba durante la modelacioacuten realizada debido a que se
generan diferentes modelos con diferentes paraacutemetros geomecaacutenicos no
mencionados en el presente trabajo pero si tenidos en cuenta para la seleccioacuten
de los mismos
111
En la modelacioacuten de taludes del proyecto se utilizoacute el meacutetodo de Bishop
Simplificado para la modelacioacuten en el software Slidereg de tal manera que la
modelacioacuten queda abierta a la utilizacioacuten de los diversos meacutetodos existentes
112
11 BIBLIOGRAFIacuteA
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NORMA COLOMBIANA SISMO RESISTENTE Titulo A Capitulo A2 Zona
de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de disentildeo
114
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H5Excavaciones y estabilidad de taludes
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Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de Campoalegre ndash Ciudad de
Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
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1
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDAD
Fuente propia
ANGULO
(ordm) H(m) RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05
10 136 80 08 212 309 304 377 374 136 79 07 213 392 244 382 204 392 244 382 205 309 304 377 374
20 525 178 17 202 290 273 281 270 525 143 452 52 535 364 505 306 534 364 505 306 290 273 281 270
10 08 178 17 201 308 304 372 368 08 178 17 202 313 154 361 207 313 154 361 208 308 304 372 368
20 236 90 310 57 316 308 312 303 236 89 310 57 440 239 475 260 447 240 475 260 316 308 312 303
10 86 266 72 240 308 305 355 352 86 266 72 240 243 54 305 147 244 54 305 147 308 306 355 352
20 55 253 176 173 350 343 291 282 55 254 176 174 384 119 397 131 384 119 397 131 349 343 291 282
10 156 361 109 304 309 305 331 327 156 361 19 34 182 88 249 33 182 88 249 33 309 305 331 327
20 23 367 104 298 312 303 313 304 23 368 104 298 328 101 378 10 328 101 378 10 312 304 314 305
ANGULO
(ordm) H(m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICOESTAacuteTICO DINAgraveMICO RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 10 09 1982 2250 020 033 313 313 413 412 380 381
20 29 20 1333 2900 191 061 338 332 369 385 329 329
10 08 09 1908 1940 022 022 295 295 312 316 359 324
20 17 19 2760 2940 043 064 328 340 288 363 360 325
10 07 07 2025 1860 024 023 257 257 245 200 306 306
20 14 17 3026 3093 032 044 323 325 245 252 262 262
10 08 07 2488 2249 018 010 198 200 152 124 223 222
20 15 15 3914 3734 037 025 246 246 187 163 248 24775
45
60
462
475
472
516505
546
578
633
503
502
503
504
ALTURA DE 10 metros A 20 metros
460
473
526
535
527
551
574
628
CH MH CL
528
502
478
521
CH MH CL
DE ESTAacuteTICO A DINAacuteMICO
RU=00 A RU=05
CL
ESTATICO DINAMICO
RU=00 A RU=05 RU=00 A RU=05
CL
MH CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
CAMBIO DE RU
MH
30
MH
CH CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTATICO DINAMICO
30
45
60
75
CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
MH CL
ESTATICO DINAMICO
116
2
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA GEOMETRIacuteA
Fuente propia
H (m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 28 16 59 42 27 27
20 26 16 69 59 9 18
CH MH CL
CON INCLINACIONES DE 30ordm A 75ordm
117
3
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
Fuente propia
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
NO CUMPLE
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X lt669ordm X lt59ordm X lt51ordm X X X X X X X lt72ordm X lt59ordm
NO CUMPLE gt67ordm gt60ordm X gt52ordm X gt73ordm gt60ordm X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
10 CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
10
20
RU=00 RU=025 RU=05RU=00 RU=025 RU=05
20
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
10
20
CL
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
118
4
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOS
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 325 352 39 45 33 36 39 46 36 38 43 50 34 36 395 465 335 36 40 465
MH C(Knm2) 15 235 31 42 23 32 39 44 20 27 36 475 23 30 38 51 223 31 40 52
CL C(Knm2) 39 42 49 58 36 39 42 50 33 35 39 45 36 385 425 495 359 389 43 495
DINAacuteM
ICA
RU RU RU RU RU
ESTAacuteTI
CARU RU RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
RU
0 01 025 04 05
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 34 353 36 392 34 35 36 391 34 352 37 40 34 353 37 40 34 353 37 40
MH C(Knm2) 0 0 0 328 0 0 30 347 0 0 32 375 0 31 348 408 30 33 36 425
CL C(Knm2) 404 42 424 443 404 42 425 442 40 418 42 442 405 42 424 442 408 419 42 442
DINAacuteM
ICA
RU RU
04 05
RU
025
ANGULOS (ordm)ANGULOS (ordm)
0
RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
01
ANGULOS (ordm)
119
9
altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm 82
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con
ru=00 en condicioacuten estaacutetica 83
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y
05 en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm 84
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=0 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 90
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 92
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para
ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 94
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=000 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 96
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=025 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 98
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica
para ru=050 en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m 99
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
30deg y altura de 10 m en CH MH y CL 101
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
45deg y altura de 10 m en CH MH y CL 103
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
60deg y altura de 10 m en CH MH y CL 104
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo
75deg y altura de 10 m en CH MH y CL 106
10
GLOSARIO
Asentamientos deformacioacuten de un suelo
Asentamientos inmediatos causado por la deformacioacuten elaacutestica del suelo la
cual ocurre en estados del suelo saturado seco o huacutemedo
Asentamientos por consolidacioacuten es el cambio de volumen en suelos
cohesivos saturados debido a la expulsioacuten del agua que ocupan los poros Los
suelos cohesivos saturados son suelos arcillosos los cuales dependen de la
permeabilidad que contenga el suelo
Asentamientos por compresioacuten secundaria parte de una deformacioacuten que ya
sucedioacute y ocurrioacute con un esfuerzo efectivo constante con ninguacuten cambio de agua
en los poros siendo dependiente del tiempo esto ocurre por el reajuste del suelo
Colapso disminucioacuten raacutepida de volumen del suelo producida por el aumento de
los siguientes factores contenido de humedad grado de saturacioacuten tensioacuten
mediante actuante tensioacuten de corte y presioacuten de poros
Cohesioacuten es la atraccioacuten entre partiacuteculas originada por fuerzas moleculares y
peliacuteculas de agua Por lo tanto la cohesioacuten de un suelo variaraacute si cambia el
contenido de humedad esta propiedad se mide en kgcm2
Criterio de falla se da cuando en una familia de facetas de la tensioacuten alcanza
una inclinacioacuten criacutetica (f) con la normal a la faceta La ruptura seraacute cuando la
tensioacuten tangencial alcanza el valor mayor de esfuerzos cortantes
Expansioacuten la alteracioacuten de las condiciones naturales de una arcilla que
11
produzcan cambios en el contenido de agua esta se integra con la estructura
laminar de la arcilla y si estaacute confinado presentara una elevacioacuten en las presiones
internas del material
Factor de seguridad es empleado para comprender cuaacutel es el factor de que el
talud falle en las peores condiciones de comportamiento Fellenius (1927)
presentoacute el factor de seguridad como la relacioacuten entre la resistencia al corte real
calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte criacuteticos que tratan de
producir la falla a lo largo de una superficie supuesta
Friccioacuten es la resistencia al deslizamiento causado por la friccioacuten existente entre
las superficies de contacto de las partiacuteculas y su densidad de tal manera que es el
aacutengulo cuya tangente es la relacioacuten entre la fuerza que resiste el deslizamiento a
lo largo de un plano y fuerza normal aplicada a este plano
Geomecaacutenico implica el estudio geoloacutegico del comportamiento del suelo y las
rocas
Grietas de contraccioacuten fisuras relativamente anchas respecto a la longitud que
se abren cuando se contrae el suelo o una roca Su formacioacuten constituye un
fenoacutemeno caracteriacutestico de los suelos arcillosos que al descascararse forman una
red poligonal de las grietas de retraccioacuten
Grietas en cuntildea son verticales y son producidas en regiones friacuteas que se
encuentran formadas tras la congelacioacuten raacutepida del suelo
Hinchamiento separacioacuten de las laacuteminas que componen las arcillas por la
absorcioacuten de agua en el espacio inter-laminar
12
Iacutendice de plasticidad diferencia numeacuterica entre el Limite Liquido y el Limite
Plaacutestico Define el campo plaacutestico de un suelo y representa el porcentaje de
humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plaacutestico
Inestabilidad desequilibrio fluctuacioacuten e inconsistencia de un terreno cuando es
afectado por agentes externos
Limite liacutequido es el contenido de agua expresado en porcentaje respecto al
peso del suelo seco que delimita la transicioacuten entre el estado liacutequido y plaacutestico de
un suelo remoldeado o amasado
Liacutemite de contraccioacuten contenido de humedad por debajo del cual se produce
una reduccioacuten adicional de volumen o contraccioacuten en el suelo
Ladera declive lateral de un terreno cuya pendiente se conforma a traveacutes del
aacutengulo que se formoacute con la horizontal
Sensitividad proporcioacuten de la resistencia a compresioacuten simple en estado
inalterado entre la del estado remoldeado
Sensibilidad de paraacutemetros geoteacutecnicos es el anaacutelisis del comportamiento de
las propiedades que influyen en la estabilidad de taludes
Suelo parte superficial de la corteza terrestre bioloacutegicamente activa que proviene
de la desintegracioacuten o alteracioacuten fiacutesica
Suelos colapsables son los suelos que presentan un cambio de relacioacuten entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia uacuteltima
del material A este grupo pertenecen las arcillas cementadas los limos y rocas
13
de gran porosidad
Suelo expansivo es un tipo de suelo capaz de producir un aumento de volumen
en relacioacuten con los cambios de humedad que puedan llegar a presentarse Dichos
materiales tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla
debido a su estructura
Suelos desmoronables suelos en los que sin la presencia o cambio de
condiciones son capaces de producir colapso donde no existe un cambio abrupto
en relacioacuten presioacuten-deformacioacuten La saturacioacuten produce un cambio volumeacutetrico
debido al incremento de presioacuten de poros que origina la resistencia al corte del
suelo
Talud porcioacuten de tierra elevada de dimensiones variables generalmente
rematando por una cuneta y caracterizado por una vegetacioacuten especiacutefica Dicho
elemento es construido con el tiempo pero tambieacuten puede ser producto de la
ejecucioacuten realizada con una construccioacuten artificial con tierra o piedra de tal
manera que es conformada con cualquier superficie inclinada respecto a la
horizontal
Terreno porcioacuten de espacio generalmente plano de tierra en el cual no se tiene
nada construido de tal manera que se trata de un aacuterea en la que no existe un
edificio o algo que cubra la superficie del mismo
14
INTRODUCCIOacuteN
Uno de los problemas caracteriacutesticos de la ingenieriacutea civil es la estabilidad de
taludes ya que los suelos presentan comportamientos dependiendo de la
estructura que lo componen y de los factores tanto extriacutensecos como intriacutensecos
generando movimiento de tierras que pueden terminar siendo generadores de
procesos de remocioacuten en masa como deslizamientos debidos a fallas rotacionales
o traslacionales o caiacutedas de rocas y detritos generando afectaciones socio-
econoacutemicas a la regioacuten Por ello es importante abordar temas como la estabilidad
de taludes en suelos expansivos como lo son la arcilla de alta plasticidad (CH)
arcilla de baja plasticidad (CL) y limo de alta plasticidad (MH) con el fin de
identificar el comportamientos de dichos suelos ante variables geomeacutetricas de
nivel freaacutetico y sismo A partir de las propiedades geomecaacutenicas de los suelos
expansivos en estudio se modelan los taludes de los diferentes perfiles
estratigraacuteficos con la correspondiente asignacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos
por medio del software Slide reg en el que al variar las condiciones de sismo y
contenido de agua se analiza la influencia que tienen en el factor de seguridad del
talud
La escasez de informacioacuten en el tema del comportamiento de suelos expansivos
genera la importancia necesaria para estudiar y analizar el tema a profundidad
creando herramientas dirigidas a ingenieros civiles tanto en campo como en
oficina para disentildeos oacuteptimos de taludes
15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El territorio colombiano presenta variedad de suelos expansivos por su
complejidad en el comportamiento mecaacutenico se hace necesario conocer la
inestabilidad que pueden presentar principalmente este tipo de suelos1 Es asiacute
como en varias zonas de Colombia se evidencian climas friacuteos-secos lo que
ocasiona una condicioacuten de sequedad que hace que algunos tramos en los taludes
presenten caracteriacutesticas de suelos expansivos2 que se caracterizan por tener
liacutemites miacutenimos y maacuteximos de contenido de humedad entre los cuales se
presenta la expansioacuten y contraccioacuten
De esta manera se identifica que los suelos compuestos por arcillas y limos que
son capaces de retener gran cantidad de agua debido a su estructura este
proceso induce a movimientos que generan grietas y asentamientos del terreno
afectando directamente el comportamiento del suelo problema que se acusa con
los cambios estacionales debido a los ciclos de humedecimiento-secado asiacute
como la ascensioacuten de nivel freaacutetico3 de tal manera que esto presenta un riesgo
para los usuarios de las viacuteas que presentan esta tipologiacutea de material Otra de las
amenazas se identifica cuando ocurre un sismo debido a que estos suelos
tienden a transmitir las ondas del sismo con rapidez y amplitud lo que llega a
generar colapso del talud4
1 MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos
ambientalespg371 2 LEOacuteN SICARD Tomas Enrique Estado del Recurso del Suelo [en liacutenea]
lthttpwwwunperiodicounaleducodperarticleagroquimicos-envenenan-suelos-en-colombiahtmlgt [Citado en 9 de noviembre de 2013] 3ASEFA Patologiacuteas por arcillas expansivas Naturaleza y comportamiento [en liacutenea]
lthttpwwwconcretonlinecomindexphpoption=com_contentampid=3179ampItemid=27gt [citado en 5 agosto del 2015]
4CINNA LOMNITZ Las causas probables de la cataacutestrofe siacutesmica del 19 de septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica
UNAM Ciencia y desarrollo septiembreoctubre 1988 Vol XIV Nuacutem 82 CONACYT
16
Es asiacute como en varios lugares se han reportado movimientos en masa como
deslizamientos y fallas rotacionales en los cortes realizados en laderas debido a
la inestabilidad generada por los materiales de los que se encuentran compuestos
los suelos5
Debido a lo anterior se requiere hacer un estudio a los suelos expansivos los
cuales se identifican mineraloacutegicamente con la determinacioacuten de propiedades
baacutesicas tambieacuten a traveacutes de meacutetodos indirectos del potencial expansivo y
medidas directas de la expansioacuten esto con el fin de observar las caracteriacutesticas
geomecaacutenicas en la ejecucioacuten de taludes seguacuten los factores baacutesicos miacutenimos
descritos en la norma sismo resistente (NSR-10) Titulo H241
Es importante conocer iquestCuaacutel es el comportamiento de los paraacutemetros
geomecaacutenicos de taludes compuestos por suelos expansivos ante variables de
nivel freaacutetico geomeacutetria y sismo
5SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47 regionales [en liacutenea]
lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
17
2 ANTECEDENTES
Uno de los temas de mayor intereacutes en la Ingenieriacutea Civil es la estabilidad del
suelo debido a sus inesperados y diferentes comportamientos para los cuales se
hace necesario el estudio y anaacutelisis taludes con el fin de lograr estabilidad y
factores de seguridad oacuteptimos cuando se encuentran compuestos por suelos
expansivos
Se han presentado diferentes casos en donde se vuelve indispensable realizar
una caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes para el anaacutelisis de la vulnerabilidad
que tiene un sitio referente a un talud en donde se cuenta con aspectos que
definen la amenaza asociada valores encontrados para la vulnerabilidad fiacutesica6
metodologiacutea para la cual se determina el riesgo asociado a dicha vulnerabilidad
En torno a este tema en particular la mayoriacutea de las investigaciones trabajan de
forma aislada la amenaza la vulnerabilidad y no evaluacutean en forma precisa el
riesgo por la accioacuten de procesos de remocioacuten en masa que desestabilizan los
taludes con base en el esquema de la caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes es
posible desarrollar una metodologiacutea que evaluacutee el riesgo asociado a inundaciones
sismos vientos o realizar una metodologiacutea integral que involucre todas esas
variables7
En Colombia se presentan casos diversos de falla en viacuteas un ejemplo es la falla
que ocurrioacute en la viacutea Manizales ndash Mariquita Tramo 5006 Debido a la inadecuada
entrega de la alcantarilla presente en ese sitio esto produjo socavacioacuten en el talud
inferior de la viacutea quitaacutendole el soporte al muro ocasionando su volcamiento Ello
6 HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y vulnerabilidad Fiacutesica por taludes y laderas inestables
en la micro Cuenca de la quebrada Cay Ibagueacute Universidad del Tolima Departamento del Tolima Maestriacutea en
planificacioacuten y manejo ambiental de cuencas 2013 pg 119
7 ibiacuted p 119
18
acelero la rotura de un acueducto veredal que satura el relleno causando paso
restringido de vehiacuteculos a un solo carril8 El objetivo de este estudio fue identificar
las diferentes formas de estabilizacioacuten y plantear la solucioacuten definitiva
correspondiente a un sistema de estructura que consta de pilotes metaacutelicos
generando estabilizacioacuten del talud
La Universidad Nacional incluye en un estudio realizado como parte de la
caracterizacioacuten fiacutesica algunas teacutecnicas para el anaacutelisis de la composicioacuten
mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y propiedades
iacutendice en las arcillas de Barranquilla En donde se tomoacute como base el cambio
volumeacutetrico descrito en la mayoriacutea de investigaciones y como aporte al
conocimiento del comportamiento expansivo de las arcillas del distrito de
Barranquilla (Colombia) con desarrollo de un programa experimental orientado a
caracterizar sus propiedades fiacutesicas micro-estructurales y de comportamiento
geoteacutecnico en muestras naturales inalteradas La caracterizacioacuten fiacutesica incluye
composicioacuten mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y
propiedades iacutendice la microestructura de muestras naturales se analiza
cualitativamente usando teacutecnicas microscoacutepicas (oacuteptica y electroacutenica de barrido) y
deducciones indirectas a partir de curvas de retencioacuten de agua (CRA) por uacuteltimo
el comportamiento geomecaacutenico se enfoca en el estudio del cambio volumeacutetrico
en condiciones de humedecimiento - saturacioacuten y procesos de carga ndash descarga9
Alliacute se concluyoacute que el potencial de expansioacuten colapso bajo carga no depende
exclusivamente de la carga vertical aplicada antes de la saturacioacuten sino de las
condiciones de faacutebrica y succioacuten inicial del material esto difiere en lo que se
encuentra en estudios realizados en la zona10
8 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de
Campoalegre ndash Ciudad de Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
9 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
10 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
19
Se han desarrollado variedad de estudios sobre el comportamiento de suelos
expansivos como ejemplo el libro Expansive Soils editado por Amer Ali Al-Rawas
ampMattheus FA Goosen en el cual se describen avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento de suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar inconvenientes causados por la presencia de
los mismos en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada por la
expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten que presentan
debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel freaacutetico Se analizoacute el efecto
de las teacutecnicas de remoldeo en el hinchamiento de suelos y las propiedades de las
fuerzas de cizallamiento que se presentan en los resultados de los efectos de
meacutetodos sobre la presioacuten por oleaje en el suelo resistencia a la compresioacuten
inconfinada Para lo cual se tomaron tres tipos de suelos CH CL y ML con
muestras inalteradas que fueron seleccionadas en la zona norte de Jordania con
una amplia gama de contenido de arcilla
Las propiedades fiacutesicas de estos suelos incluyendo la gradacioacuten el liacutemite plaacutestico
y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco maacuteximo y el
contenido oacuteptimo de agua se obtienen a traveacutes de las especificaciones con las
que cuentan las normas ASTM Las muestras de suelos perturbados y no
perturbados se obtuvieron de los lugares descritos en el paacuterrafo anterior y fueron
probadas en el laboratorio de mecaacutenica de suelos en Jordan Universidad de
Ciencia y Tecnologiacutea Los especiacutemenes remoldeados estaban preparados para la
compresioacuten inconfinada y los ensayos de hinchazoacuten utilizando tres teacutecnicas de
remoldeo dinaacutemicas estaacuteticas y amasado Esto con el fin de lograr un estudio en
el potencial de hinchamiento de ese tipo de suelos ante los diferentes ensayos La
evaluacioacuten de la presioacuten debida a la hinchazoacuten la inflamacioacuten potencial y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada se vio afectada por el meacutetodo de
remodelacioacuten
20
Por lo tanto de este ensayo se concluyoacute que las muestras inalteradas obtienen
valores altos de presioacuten de hinchamiento la remodelacioacuten dinaacutemica tuvo los
valores maacutes altos de la hinchazoacuten y la compresioacuten inconfinada seguido por la
fuerza estaacutetica y el remoldeo por amasado respectivamente de esta manera se
observa que el contenido inicial de agua afecta tanto a la presioacuten de la hinchazoacuten
como a la resistencia a la compresioacuten inconfinada
De esta manera se encuentra el desarrollo de otro estudio ejecutado en el libro de
Expansive Soils en donde se describe una serie completa de pruebas referidas a
la compresioacuten no confinada (UC) no consolidado no drenado (UU) triaxiales y
columna resonante (RC) se realizaron sobre muestras estabilizadas
quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del sureste de Arlington Texas
despueacutes de haber sido sometido a ciclos (WD) repetidos de humectacioacuten-secado
inducido artificialmente en el laboratorio los cuales arrojaron unos resultados que
se utilizaron para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo plazo la
rigidez el efecto de hincharse y su continua contraccioacuten brindoacute respuesta del
suelo tratado incluyendo resistencia a la compresioacuten no confinada sin olvidar
resistencia al corte moacutedulo de corte dinaacutemico y material de amortiguacioacuten Se
utilizoacute meacutetodos de estabilizacioacuten que incluyen sulfato resistente cemento Tipo V
baja en calcio clase F mosca ceniza cal viva mezclaacutendolas con fibras de
polipropileno Muestras de suelo que se trataron y fueron curadas durante 7 diacuteas y
despueacutes se sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la UC UU y RC
la prueba Un ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua
potable en la sala de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a
140 F Encargoacute caacutemaras wd que permiten el monitoreo de 1-D al hincharse y
encogerse siendo esta la respuesta durante wd repetido Una dosis -por peso del
10 de cemento Tipo V el cual brinda mejor rendimiento general bajo realizado
con el ensayo de la resistencia al corte sin drenaje En donde se halloacute que Las
cenizas presentan malos resultados en comparacioacuten a todos los estabilizadores
21
con una simultaacutenea disminucioacuten de la c y bajo continuo w - d Aunque los valores
de fibras de cal suelo tratado tienden a aumentar con wd repetido Sin embargo
todos los suelos tratados superaron suelo natural despueacutes de 32 ciclos wd con el
tipo del 10 V suelo con cemento tratado mostrando un mejor rendimiento c-
De tal manera que la presencia de agua en este tipo de suelos los hace menos
resistencia a el ensayo de compresioacuten a fuerzas cortantes o de cizallamiento
debido a que alteran su estructura interna generando comportamientos
inadecuados para el cuerpo ingenieril debido a que se veraacuten afectadas las
construcciones realizadas sobre los mismos de esta manera seraacute necesario hacer
un tratamiento de estabilizacioacuten para proveer caracteriacutesticas mecaacutenicas
apropiadas de los suelos expansivos 11
11
Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos
y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
22
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos
por suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos
23
4 JUSTIFICACIOacuteN
Los suelos expansivos presentan algunas propiedades que pueden llegar a
generar variaciones en el comportamiento del suelo como los cambios
volumeacutetricos en presencia o ausencia de agua produciendo expansioacuten y
contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad portante y resistencia al corte
cuando se incrementa el contenido de agua
Al realizar cortes en laderas se presenta un cambio en la condicioacuten de resistencia
inicial del material lo que genera inestabilidad y un inminente riesgo el
comportamiento del suelo se analiza a traveacutes de la sensibilizacioacuten de paraacutemetros
que conduce a la mejora del factor de seguridad con respecto al disentildeo debido a
esto se llevoacute a cabo una comparacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes
los cuales brindaron soluciones oacuteptimas para el disentildeo de los mismos en suelos
expansivos
Es importante realizar el estudio de suelos expansivos y su comportamiento en
taludes ya que este tipo de suelos generan desplazamientos de materiales
Debido a que los suelos se hidratan y se hinchan estas condiciones se presentan
naturalmente tanto en eacutepocas de lluvia y en eacutepocas de sequia
Los riesgos que presenta en un proceso de estos son
Asentamientos en muros y cimientos
Deformacioacuten en los pavimentos y aceras
Movimientos de laderas
Roturas de cantildeerias y drenajes
Aparicioacuten de cavidades por disolucioacuten de sales
24
La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento de paraacutemetros
geomecaacutenicos en taludes ante variables de afectacioacuten para lo cual se realizan
aacutebacos que permitan identificar la manera en la que se ven afectados dichos
taludes y asiacute predecir su comportamiento por medio de programas de modelacioacuten
para el disentildeo de taludes con el fin de encontrar el factor de seguridad de disentildeo
y obtener las condiciones necesarias para la construccioacuten del mismo pensando en
el beneficio de la poblacioacuten
25
5 MARCO REFERENCIAL
El trabajo estaacute basado en la presentacioacuten de anaacutelisis sobre el comportamiento de
suelos expansivos en taludes con el fin de observar la inestabilidad del terreno el
cual se manifiesta mediante desplazamientos implicando ruina total o parcial de
sitios aledantildeos en donde se presenta este tipo de procesos de remocioacuten en masa
Este anaacutelisis conduce a un estudio referente a propiedades de los suelos que son
importantes las cuales generan cambios volumeacutetricos en presencia o ausencia de
agua produciendo expansioacuten y contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad
portante y resistencia al corte cuando se incrementa el contenido de agua
Es necesario tener presente conceptos como la composicioacuten y comportamiento
mecaacutenico de suelos expansivos que componen taludes asiacute mismo la afectacioacuten
que pueden generar estos suelos cuando son intervenidos por sismo y lluvia
Para el desarrollo de lo anterior se llevaraacute a cabo la presentacioacuten de los conceptos
tales como arcillas expansivas deslizamientos procesos de remocioacuten en masa
sensibilidad de paraacutemetros y anaacutelisis determiniacutestico
51 MARCO CONCEPTUAL
En el marco conceptual se establecen conceptos relacionados con la
investigacioacuten sobre la presencia de suelos expansivos como arcillas de baja alta
plasticidad y limos de alta plasticidad en taludes debido a que estaacute clase de
suelos tienen caracteriacutesticas de respuestas y comportamientos de expansioacuten y
contraccioacuten asociadas al humedecimiento y secado Por lo tanto la descripcioacuten
de estos comportamientos requiere el uso de un marco conceptual que incorpore
aspectos de anaacutelisis determiniacutesticos y meacutetodos de anaacutelisis con respecto al
comportamiento geomecaacutenico
26
Suelos Expansivos 511
Material susceptible que genera cambios de volumen los cuales se encuentran
directamente relacionados con cambios de humedad o variacioacuten con respecto al
contenido de agua La estructura del material retiene grandes cantidades de agua
lo que puede producir un aumento de volumen notorio12
El contenido de humedades un factor importante cuando se habla de la expansioacuten
de un suelo esto se presenta solo en los suelos expansivos como se observa en
la figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander cuando existen
variaciones climaacuteticas que influyen directamente en el comportamiento
generando grietas en el suelo13
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander
Fuente httpgooglaVWI0V
12
INGSPATRONE J amp PREFUMO JE La accioacuten de los suelos expansivos sobre las cimentaciones meacutetodos de
prevencioacuten y control Paacuteg 1-16[en
linea]lthttpwwwumeduuy_upload_descargaweb_descarga_204_AccindesuelosexpansivosAntildeo 2004gt[citado en 5 de
agosto del 2015]
13 Ibidp12
27
5111 Identificacioacuten de suelos expansivos
Los suelos expansivos se identifican de manera visual por varias caracteriacutesticas
tienen alta plasticidad si se observan en el terreno se encontraraacuten grietas
ocasionadas por la expansioacuten y contraccioacuten constante que sufre dicha superficie
esto se presenta cuando hay variacioacuten de humedad14
La identificacioacuten mineraloacutegica es una de las principales formas por las cuales se
ubican los suelos expansivos debido a que los meacutetodos maacutes recomendados son
difraccioacuten de rayos x anaacutelisis teacutermico diferencial anaacutelisis quiacutemico absorcioacuten de
tinte y la microscoacutepica electroacutenica Las cuales consisten en detectar la presencia
de minerales arcillosos que resultan expansivos15
5112 Ensayos de identificacioacuten de suelos expansivos
Es necesario ejecutar una valoracioacuten frente al comportamiento que puede llegar a
presentar un suelo con presencia de arcillas y limos cuando es sometido a
diferentes situaciones donde se ve alterada su composicioacuten de tal manera que
los diferentes ensayos permiten hacer un acercamiento de lo que sucede en la
realidad y especialmente en casos donde el suelo presenta humedad La tipologiacutea
y descripcioacuten de este tipo de ensayos se presenta en la tabla 1 Ensayos y
laboratorios en suelos descrita a continuacioacuten
14
INGSPATRONE Jamp PREFUMO JE Opcit1-16
15Ibid p1-16
28
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos
ENSAYOS Y LABORATORIOS
DESCRIPCIOgraveN
Hinchamiento Libre
Se humecta el suelo permitiendo una expansioacuten vertical
de una probeta por lo que el confinamiento lateral impide
la deformacioacuten lateral se realiza sobre muestras
inalteradas saturadas
Determinacioacuten de la presioacuten maacutexima del
hinchamiento
Impide la expansioacuten vertical al aplicar tensioacuten vertical
necesaria que compensa dicho hinchamiento se realiza
sobre muestras inalteradas Y saturadas
Ensayo de Lambe
Consiste en la preparacioacuten de una probeta de suelo que
se compacta en condiciones estandarizadas de humedad
inicial de tal manera que se impide una expansioacuten lateral
confinaacutendola en un anillo Una vez producida la
inundacioacuten de la ceacutelula se determina la tensioacuten maacutexima
de tensioacuten mediante un anillo dinamomeacutetrico con el
bastidor quienes se encargan de ejercer la reaccioacuten ante
la fuerza de expansioacuten que manifiesta la muestra al
hinchar El valor de esta tensioacuten maacutexima de hinchamiento
permite una clasificacioacuten cualitativa del material en
funcioacuten de ciertos grados de expansividad
Ensayo de volumen de sedimentacioacuten
Este criterio fue dado por Holtz y Gibbs el cual se utilizaba
para averiguar el potencial de hinchamiento de un suelo
consiste en depositar 10 cm3 de suelo seco que pase por
el tamiz Nordm40 en un cilindro graduado con 100 cm3 de
agua y se observa el aumento del volumen de la muestra
una vez sedimentada debido al hinchamiento dio
resultado se expresa en porcentaje de aumento de
volumen respecto al volumen inicial del suelo
Liacutemite Liacutequido
Es el contenido de humedad para el cual el suelo pasa
de un estado liacutequido a plaacutestico el ensayo que permite
determinar el liacutemite liquido consiste en colocar diferentes
muestras de suelo con humedad variable en un
recipiente o taza metaacutelica accionada por medio de una
manivela que se encarga de levantarla y dejarla caer
29
Fuente compilacioacuten propia tomado de Ensayos sobre suelos expansivos[en
liacutenea]lthttpwwwestudiosgeotecnicosinfoindexphpensayos-laboratorio-suelos-expansivosgt [citado en 5 de agosto del
2015]
Liacutemite liacutequido
repetidas veces Antes de inicia el ensayo se realiza una
ranura de diferentes dimensiones con una espaacutetula
contando el nuacutemero de golpes con el fin de que la ranura
quede frac12 pulgada cerrada Dichos datos se grafican y
cuando la curva obtenida corta la liacutenea correspondiente a
los 25 golpes se considera este valor como el limite
liquido del suelo
Liacutemite Plaacutestico
Es el contenido de humedad para el cual se cambia del
estado plaacutestico al semisoacutelido de tal manera que en el
estado plaacutestico el suelo es semi moldeable mientras que
en el semisoacutelido se agrieta amoldaacutendose El limite plaacutestico
queda definido cuando el suelo contiene justo la humedad
necesaria para que al amasar manualmente bastoncitos
de 03 cm estos no se agrieten y se rompan
Liacutemite de Retraccioacuten
Este liacutemite queda determinado por la miacutenima cantidad de
agua necesaria para llenar los poros de una muestra de
suelo seco a este liacutemite corresponde el menor volumen de
la masa del suelo determinado por la frontera entre el
estado soacutelido y semisoacutelido En las arcillas este liacutemite
alcanza el 5 y el 10 lo que indica que la capacidad
portante se incrementa a medida que disminuye el
porcentaje de humedad
Ensayo de Triaxial
A traveacutes de esta prueba se identifican las propiedades
de tensioacuten- deformacioacuten del suelo en este ensayo una
muestra de suelo ciliacutendrica normalmente con una
relacioacuten de altura-diaacutemetro se somete a dos
incrementos de tensioacuten axial y radial dicha muestra se
encuentra protegida con una membrana y las tensiones
radiales son impuestas por una presioacuten de confinamiento
en todas sus caras Los esfuerzos axiales son impuestos
por un vaacutestago que penetra la caacutemara de confinamiento
hasta que se produce la rotura
30
De esta manera se hace necesario identificar los tipos de deslizamientos que se
presentan en taludes los cuales generan un proceso de remocioacuten en masa
afectando de manera directa la poblacioacuten a niveles sociales econoacutemicos entre
otros identificados en la tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Fuente Compilacioacuten propia del libro de Suarez Jaime Diacuteaz Deslizamientos y estabilidad de taludes
31
ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL
BLANDO
ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES
TIPO IMAGEN
MATERIAL HOMOGENEO
MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
Seguacuten la composicioacuten y estructura del talud se produce un tipo deslizamiento esto
puede observarse en la tabla 3Efectos de la estructura en la formacioacuten de
deslizamientos de rotacioacuten donde se describe el efecto del deslizamiento
causado seguacuten la estructura del talud
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten
32
Por lo tanto Los paraacutemetros geomecaacutenicos son elementos necesarios que ayudan
a la comprensioacuten del anaacutelisis con respecto al comportamiento del suelo en el
presente trabajo se hace el estudio de los paraacutemetros descritos en la tabla 4
Paraacutemetros geomecaacutenicos
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Conociendo los paraacutemetros geomecaacutenicos que componen cada uno de los suelos
se identifica el concepto de remocioacuten en masa el cual es el desplazamiento de
grandes voluacutemenes de material superficial descrito de manera detallada en la
tabla 5Procesos de remocioacuten en masa
PARAacuteMETRO CONCEPTO ECUACIONES DESCRIPCIOacuteN
DENSIDAD
Relacioacuten entre la unidad de peso y la unidad de
voluacutemen de la fase soacutelida del suelo siendo maacutes o
menos constante ya que estaacute determinado por la
composicioacuten quiacutemica y mineraloacutegica de la fase
soacutelida
ρ=mV
ρ= densidad
m= masa
V= volumen
PESO ESPEacuteCIFICO
Se definen peso especiacutefico relativo a la relacioacuten entre
el peso especiacutefico de una sustancia y el peso
especiacutefico del agua destilada a 4 grados centigrados
sujeta a una atmoacutesfera de presioacuten
Pc=pV
Pc= Peso especigravefico
P=Peso
V= volumen
CARACTERISTICAS
ESTRUCTURALES
Se refiere a la orientacioacuten de las discontinuidades
tamantildeo y forma de rocas espaciado grado de
fracturacioacuten del macizo rocoso aacutengulo de inclinacioacuten
No aplica
EFECTO DEL AGUA
La estabilidad del talud y resistencia al cizallamiento
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos
33
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa
Fuente Ajustado de httpjulsgeoambientaljimdocomportafolioremocioacuten en masa
Es asiacute como el subsuelo o sustrato es la capa de suelo debajo de la capa
superficial de la tierra El cual incluye sustancias como arcilla yo arena que soacutelo
han sido parcialmente desglosadas por aire luz solar agua viento etc para
producir suelo verdadero Debajo del subsuelo estaacute el sustrato que puede
ser rocoso de sedimentos o depoacutesitos eoacutelicos en gran medida afectados por
factores formadores de suelo activo en el subsuelo El subsuelo contiene
LITOLOacuteGICOS ESTRUCTURALES TOPOGRAacuteFICOS ANTROacutePICOS TECTOacuteNICOS CLIMAacuteTICOS
El material superficial
se encuentra suelto y
puede ser removido
con facilidad en una
ladera por efecto de la
presioacuten de una
cantidad de agua
necesariamente si
bajo este material
superficial existe roca
consolidada e
impermeable
En el relieve se
presentan grietas o
diaclasas juntas que
por efecto de la
meteorizacioacuten fiacutesica
quiacutemica o bioloacutegica
provocan el
desmenuzamiento o
descomposicioacuten de
las rocas
Existen laderas de
montantildeas de colinas
con pendiente
abruptas o de terrenos
muy inclinados
En aacutereas con
pendientes
fuertemente taladas
(deforestadas) por el
hombre el material
superficial queda
expuesto a la
intemperie
Las ondas siacutesmicas
provocan el
desplazamientode
materiales
superficiales o de
unidades maacutes
importantes del relieve
como puede ser un
aacuterea accidentada o
no
Caen fuertes
precipitaciones o
caen de manera
continua provocan
deslizamientos sea
por aumento de
sobrecarga o por
cambios extremos en
las temperaturas las
cuales quiebran los
mantos rocosos
Es el desplazamiento de grandes voluacutemenes de material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por accioacuten directa de la fuerza de
gravedad hasta volver a encontrar un nuevo punto de reposo Los movimientos de masa se presentan sobre todo en la eacutepoca lluviosa o
durante una actividad siacutesmica
PROCESOS DE REMOCIOacuteN EN MASA
Se produce porque la fuerza actuante (sobrecarga) que es originada normalmente por el agua ejerce una presioacuten hacia abajo que rompe el
equilibrio existente hasta ese momento la gravedad proporciona la energiacutea adicional requerida para que se produzca el movimiento
descendente En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve se origina fundamentalmente por los movimientos siacutesmicos
FACTORES
CONCEPTO
ORIGEN
MOVIMIENTOS COMUNES
Formacioacuten de una superficiede ruptura recta o
curvada a partir de la cual se desplaza toda la
porcioacuten de terreno separada del conjunto con
la misma velocidad en todas sus partes
conservando su estructura y forma original
DESLIZAMIENTOS REPTACIOacuteN
Movimiento lento del suelo yo de detritos
rocosos cuesta abajo por lo general no
perceptible que afecta la parte superficial de
la ladera la capa de suelo y en algunos casos
la parte superior de la roca alterada Causas
lluvias o de fusioacuten de nieves que saturan los
suelos en ambientes huacutemedos y sobre
laderas con pendientes moderadas
DERRUMBAMIENTO
Incluye movimientos y caida directa de
material rocoso de variable dimensiones
Son causados por La fuerza gravitacional de
la tierra Grado e inestabilidad de fracturas de
la roca Efecto de meteorizacioacuten Efectos de
congelamiento del agua en las fracturas
34
partiacuteculas parcialmente degradadas por lo general de un tono maacutes claro de color
marroacuten o amarillo y contiene las raiacuteces profundas de las plantas grandes como los
aacuterboles
Existen diferentes meacutetodos de exploracioacuten para tomar muestras alteradas e
inalteradas
Una muestra alterada es aquella que estaacute constituida por material
disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales
para conservar las caracteriacutesticas de estructura y humedad in situ no
obstante en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua
original del suelo para lo cual las muestras se envasan en recipientes
impermeables y se transportan de forma que esteacuten protegidas de los
agentes atmosfeacutericos Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de
suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice y preparar especiacutemenes
compactados para someterlos a pruebas mecaacutenicas (SAHOP 1974)
Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura no
sufre de alteraciones quiacutemicas ni de humedad es decir conserva las
propiedades que teniacutea in situ Estas muestras se utilizan en el laboratorio
para identificar el tipo de suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice
y mecaacutenicas16
Las muestras inalteradas se obtendraacuten de suelos finos que pueden labrarse sin
que se disgreguen La obtencioacuten puede efectuarse en el piso o en las paredes de
una excavacioacuten como en un pozo a cielo abierto en la superficie del terreno
natural o en la de una terraceriacutea La excavacioacuten para obtener una muestra deberaacute
16Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015]
35
ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extraccioacuten de
la misma Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo
en su estado natural por lo que su obtencioacuten empaque y transporte requieren
cuidados especiales a fin de no alterarlas Las muestras deben ser identificadas
claramente Las superficies que esteacuten expuestas deben ser protegidas con
material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que
amortiguumlen las vibraciones que pudiera sufrir 17
5113 Problemas de los suelos expansivos en taludes y laderas ante
solicitaciones
Los terrenos con pendiente pronunciadas son aquellos que tienen susceptibilidad
ante fenoacutemenos como lo son los deslizamientos amplificacioacuten siacutesmica entre
otros18
Un sismo en materiales expansivos brindaraacute una respuesta dinaacutemica generada
por los suelos esto dependeraacute de las condiciones del esfuerzo de confinamiento y
del nivel de deformacioacuten que presenten los materiales de esta manera el suelo
no disipara energiacutea por poco amortiguamiento y la degradacioacuten a traveacutes de los
ciclos seraacute pequentildea lo cual indica una respuesta elaacutestica lineal Es asiacute como a
grandes deformaciones el suelo disipa mayor energiacutea por alto amortiguamiento y
la presioacuten de poro iguala el esfuerzo efectivo de confinamiento producieacutendose un
deterioro del suelo y por consiguiente la peacuterdida de resistencia por lo tanto la
respuesta es no lineal donde la rigidez decrece con el nuacutemero de ciclos19
17
Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015] 18
Criterio para calificar los suelos con fines urbanos [en liacutenea]lt httpesslidesharenetcarlosjcamachopresentacin-
de-la-materia-3742687gt [citado en 3 de octubre del 2009] 19
Comportamiento Dinaacutemico de las Arcillas [en liacutenea]
lthttpwwwptolomeounammx8080jspuibitstream132248521006014A4pdfgt[citado en 2 de enero del 2009]
36
Otro de las solicitaciones que modifican el estado de un talud se refiere a la
cantidad de agua que se infiltre por el suelo debido a que los periodos climaacuteticos
del antildeo se modifican y dependiendo de la cantidad de precipitacioacuten aumentaraacute o
disminuiraacute el nivel freaacutetico es asiacute como los suelos expansivos sufriraacuten aumento o
disminucioacuten de volumen seguacuten la cantidad de agua sea mayor o menor lo que
causara el hinchamiento en eacutepocas de lluvia y retracciones en eacutepoca seca
generando grietas y posterior rotura del suelo
Por consiguiente la gravedad podraacute causar deslizamientos con este tipo de suelos
De esta manera se presentaran perdida de asentamientos en muros y cimientos
deformacioacuten en pavimentos en las aceras movimientos de laderas y aparicioacuten de
cavidades por disolucioacuten de sales
En el caso de las cargas soportadas por suelos expansivos como lo son
pequentildeas zapatas soportando cargas livianas son faacutecilmente levantadas
mientras que cuando las zapatas son de gran tamantildeo y soportan cargas pesadas
no ocurre este proceso20
5114 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Dentro de los meacutetodos de exploracioacuten de suelos existen dos clasificaciones
meacutetodos directos y meacutetodos indirectos En la tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de
suelos se muestra una clasificacioacuten general de los meacutetodos de exploracioacuten maacutes
usuales y una breve descripcioacuten21
20
Villalaz Carlos Crespo Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta edicioacuten MexicoLimusa2004ISBN 968-18-6489-1
21 Tesis Meacutetodos de exploracioacuten de suelos [En liacutenea] lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en
23 de Junio de 2015]
37
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Meacutetodo Descripcioacuten
Meacutetodos
directos
Pozos a cielo
abierto
Es el meacutetodo maacutes satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo
Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse
en eacutel examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer
muestras alteradas e inalteradas Su aplicacioacuten eficiente resulta sobre suelos
cohesivos
Pala
posteadora
Es un meacutetodo manual de exploracioacuten somera que consiste en hincar un barreno y
obtener muestras del tipo alterado pero representativas en cuanto al contenido de
agua Se utiliza en lugares donde otros equipos mecaacutenicos no pueden ser usados
Tubo Shelby Consiste en un tubo afilado de 75 a 10 cm de diaacutemetro que se hincan a presioacuten
para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o
semiduros
Sondeo de
penetracioacuten
estaacutendar
Con esta teacutecnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la
resistencia al corte con el nuacutemero de golpes con el que se hinca el penetroacutemetro
una distancia de 30 cm El equipo consta de un penetroacutemetro el cual se hinca a
golpes mediante un martinete de 635 kg que cae desde 76 cm de alto
Muestreador
Denison
Consiste en dos tubos conceacutentricos que se hinca en el suelo para obtener
muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyeccioacuten de fluido de
perforacioacuten que se hace circular entre ambos tubos
Meacutetodos
indirectos
Meacutetodo
siacutesmico
Consiste en provocar una explosioacuten en un punto determinado del aacuterea a explorar
usando una pequentildea carga de explosivo usualmente nitro amonio Por la zona a
explorar se situacutean geoacutefonos cada 15 oacute 30 cm Este procedimiento se funda en la
velocidad de propagacioacuten de las ondas vibratorias de tipo siacutesmico a traveacutes de
diferentes medios materiales
Meacutetodo de
resistividad
eleacutectrica
Consiste en inducir una corriente eleacutectrica a traveacutes de los suelos de tal forma que
se presente una mayor o menor resistividad eleacutectrica para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo Mayores resistividades corresponden a rocas
duras siguiendo con rocas suaves y asiacute sucesivamente hasta valores menores
correspondientes a suelos suaves saturados
Meacutetodos
magneacuteticos y
gravimeacutetricos
Para el primero se utiliza un magnetoacutemetro que mide la componente vertical del
campo magneacutetico terrestre en la zona considerada en varias estaciones
proacuteximas entre siacute En los meacutetodos gravimeacutetricos se mide a aceleracioacuten del
campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar La informacioacuten
que proveen estos meacutetodos es algo erraacutetica y difiacutecil de interpretar
Fuente Ajustado de httptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdf
38
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 512
Se describen los diferentes meacutetodos de anaacutelisis en taludes con la finalidad de
observar la diferencia entre los mismos e identificar cuaacutel de ellos cumple con la
desarrollo del trabajo en el anaacutelisis del valor de factor de seguridad resumidos en
la graacutefica 2 Meacutetodos de caacutelculo
5121 Meacutetodos de equilibrio liacutemite
Se basan en leyes de la estaacutetica determinando el estado de equilibrio de un
terreno inestable No tienen en cuenta las deformaciones del terreno Suponen
que la resistencia al corte se moviliza total y concordantemente a lo largo de la
superficie de corte Se pueden clasificar en dos grupos
bull Meacutetodos exactos
bull Meacutetodos no exactos
5122 Meacutetodos exactos
El uso de las leyes de la estaacutetica da una solucioacuten exacta al problema Esto soacutelo es
posible en taludes de geometriacutea sencilla como por ejemplo la rotura planar y la
rotura por cuntildeas
5123 Meacutetodos no exactos
En la mayoriacutea de los casos la geometriacutea de la superficie de rotura no permite
obtener una solucioacuten exacta del problema solamente mediante la aplicacioacuten de las
leyes de la estaacutetica El problema es hiperestaacutetico y ha de hacerse alguna hipoacutetesis
previa que permita su resolucioacuten Se pueden tomar los meacutetodos que consideran el
equilibrio global de masa deslizante hoy en desuso y los meacutetodos de las dovelas
o rebanadas que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas
verticales
39
Los meacutetodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en
Meacutetodos aproximados que no cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica
Se pueden nombrar los meacutetodos de Fellenius Janbu y Bishop simplificado
Meacutetodos completos que cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica Los
conocidos son los meacutetodos de Morgenstern-Price Spencer y Bishop
riguroso
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo
Fuente Propia
A traveacutes de los meacutetodos de caacutelculo se desarrollan los meacutetodos de anaacutelisis para
estabilidad de taludes estos son de gran importancia para el desarrollo a nivel
numeacuterico con el fin de identificar que sucede en un talud al cambiar y modificar
ciertos paraacutemetros geomecaacutenicos mostrados dichos meacutetodos en la tabla 7
Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
40
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
Meacutetodo de
tablas o
nuacutemero de
estabilidad
Para los taludes simples homogeacuteneos se han desarrollado tablas que
permiten un caacutelculo raacutepido del factor de seguridad Existe una gran cantidad
de tablas desarrolladas por diferentes autores La primera de eacutestas fue
desarrollada por Taylor en 1966 Desde entonces han sido presentadas
varias tablas sucesivamente por Bishop y Morgenstern (1960) Hunter y
Schuster (1968) Janbuacute (1968) Morgenstern (1963) Spencer (1967)
Terzaghi y Peck (1967) y otros
Meacutetodo del
talud infinito
El meacutetodo del talud infinito es un sistema muy raacutepido y sencillo para
determinar el factor de seguridad de un talud suponiendo un talud largo
con una capa delgada de suelo en el cual cualquier tamantildeo de columna de
suelo es representativo de todo el talud Las suposiciones del meacutetodo del
talud infinito son las siguientes suelo isotroacutepico y homogeacuteneo talud
infinitamente largo y superficie de falla paralela al talud El principal uso del
meacutetodo del talud infinito es la elaboracioacuten de planos de amenaza a los
deslizamientos mediante el uso de SIGS
Meacutetodo del
bloque
deslizante
El anaacutelisis de bloque puede utilizarse cuando existe a una determinada
profundidad una superficie de debilidad relativamente recta y delgada La
masa que se mueve puede dividirse en dos o maacutes bloques y el equilibrio de
cada bloque se considera independientemente utilizando las fuerzas entre
bloques No considera la deformacioacuten de los bloques y es uacutetil cuando existe
un manto deacutebil o cuando aparece un manto muy duro sobre el cual se
puede presentar el deslizamiento
Meacutetodo
Ordinario o
de Fellenius
Conocido tambieacuten como meacutetodo Sueco meacutetodo de las Dovelas o meacutetodo
USBR Este meacutetodo asume superficies de falla circulares divide el aacuterea
de falla en tajadas verticales obtiene las fuerzas actuantes y resultantes
para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de
Seguridad
41
Meacutetodo de
Bishop
Bishop (1955) presentoacute un meacutetodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta
el efecto de las fuerzas entre las Dovelas El meacutetodo simplificado de Bishop
es uno de los meacutetodos maacutes utilizados actualmente para el caacutelculo de
factores de seguridad de los taludes Aunque el meacutetodo soacutelo satisface el
equilibrio de momentos se considera que los resultados son muy precisos
en comparacioacuten con el meacutetodo ordinario
Meacutetodo de
Janbuacute
El meacutetodo simplificado de Janbuacute se basa en la suposicioacuten de que las
fuerzas entre dovelas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de
cortante Janbuacute considera que las superficies de falla no necesariamente
son circulares y establece un factor de correccioacuten fo El factor fo depende
de la curvatura de la superficie de falla Estos factores de correccioacuten son
solamente aproximados y se basan en anaacutelisis de 30 a 40 casos
Meacutetodo de
Spencer
El meacutetodo de Spencer es un meacutetodo que satisface totalmente el equilibrio
tanto de momentos como de esfuerzos El procedimiento de Spencer
(1967) se basa en la suposicioacuten de que las fuerzas entre dovelas son
paralelas las unas con las otras o sea que tienen el mismo aacutengulo de
inclinacioacuten
Meacutetodo de
Morgenstern
y Price
El meacutetodo de Morgenstern y Price (1965) asume que existe una funcioacuten que
relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas Esta
funcioacuten puede considerarse constante como en el caso del meacutetodo de
Spencer o puede considerarse otro tipo de funcioacuten La posibilidad de
suponer una determinada funcioacuten para determinar los valores de las fuerzas
entre dovelas lo hace un meacutetodo maacutes riguroso que el de Spencer22
Adaptado de Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil
Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
22
Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-
Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
42
52 MARCO LEGAL
Para garantizar la viabilidad normativa del presente trabajo este se encuentra
acorde a los requisitos legales y normativos de la actualidad descritos en la tabla
8 Normatividad
Tabla 8 Normatividad
NORMA OBJETIVO
CE020 Estabilizacioacuten de
Suelos y de Taludes
Establecer las consideraciones teacutecnicas miacutenimas para el mejoramiento requerido de la resistencia de suelos y de la estabilidad de taludes
NSR 2010 Titulo H
Establecer criterios baacutesicos para realizar estudios geoteacutecnicos de edificaciones basados en la investigacioacuten del subsuelo y las caracteriacutesticas arquitectoacutenicas y estructurales de las edificaciones con el fin de proveer las recomendaciones geoteacutecnicas de disentildeo y construccioacuten de excavaciones y rellenos estructuras de contencioacuten cimentaciones rehabilitacioacuten o reforzamiento de edificaciones existentes y la definicioacuten de espectros de disentildeo sismo resistente para soportar los efectos por sismos y por otras amenazas geoteacutecnicas desfavorables
NSR 2010 Titulo A2
Establecer los valores de coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva para el disentildeo la cual se encuentra impliacutecita en la tabla A22 del cual se toma el valor 030 en una escala de 005 hasta 050 desde amenaza siacutesmica baja hasta amenaza siacutesmica alta lo que indica que para efecto de anaacutelisis y disentildeo de taludes se debe emplear la aceleracioacuten maacutexima del terreno en donde el coeficiente siacutesmico de disentildeo para anaacutelisis seudo estaacutetico de taludes KST tiene el valor inferior tomando asiacute el valor de 080 de suelos enrocados y macizos fracturados lo que implica ejecutar una operacioacuten matemaacutetica simple con el fin de obtener el valor de Aa adecuado para el disentildeo dinaacutemico del talud el cual es 025
Fuente Propia
43
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO
En este capiacutetulo se evidencia el enfoque que se expuso en el presente trabajo
dejando claras las caracteriacutesticas principales para el desarrollo de modelos que
presentan el factor de seguridad oacuteptimo en suelos expansivos
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN
El enfoque que se empleo es de caraacutecter cuantitativo y cualitativo ya que se tomoacute
como base de trabajo los estudios realizados en diferentes zonas compuestas por
suelos expansivos
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN
Cuenta con una investigacioacuten tipo analiacutetica ya que se desarrolloacute una matriz de
comparacioacuten entre paraacutemetros mecaacutenicos y geoteacutecnicos comunes en los suelos
expansivos en donde se buscoacute valores miacutenimos de factores de seguridad en
relacioacuten a paraacutemetros de resistencia condiciones geomeacutetricas y factores
naturales
63 DISENtildeO MUESTRAL
Para el trabajo se tiene en cuenta un talud con caracteriacutesticas geoteacutecnicas y
geomeacutetricas establecidas en donde ejecutoacute una comparacioacuten del comportamiento
del talud con respecto a valores de factor de seguridad para lo cual se realiza un
anaacutelisis de la poblacioacuten universo muestra individuo y variables descritas a
continuacioacuten
Poblacioacuten universo 631
La poblacioacuten universo de la investigacioacuten se basa en el anaacutelisis de taludes ya que
es el elemento maacutes grande del cual se tomoacute la muestra con el fin de ejecutar un
44
anaacutelisis de paraacutemetros geomecaacutenicos sobre el comportamiento de la presencia
de suelos expansivos frente a las variables correspondientes
Muestra 632
Consiste en 264 modelos ejecutados en SLIDEreg de donde se tienen en cuenta
valores de Ru= 00 025 y 05 con alturas de 10 m y 20 m aacutengulos de inclinacioacuten
de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm asiacute mismo se realizan 120 modelos adicionales en donde la
altura es de 10 m variando el valor de Ru=00 01 025 05 y aacutengulos de
inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm en donde se tiene en cuenta los paraacutemetros
geomecaacutenicos y geomeacutetricos para diferentes tipos de suelos expansivos
correspondientes
CH Arcilla de alta plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con alta
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
mayor de 50 tacto suave23
CL Arcilla de baja plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con baja
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
menor de 50 tacto suave24
MH Limo de alta plasticidad suelo de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse ante su esfuerzo mecaacutenico limite liquido menor de 50
tacto aacutespero25
23
El sistema unificado de clasificacioacuten de los suelos [en liacutenea]lt
ftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt [citado en 3 de noviembre del
2015]
24 Ibiacuted Cuadro 21
25 Ibiacuted Cuadro 21
45
Individuo 633
Taludes con presencia de suelos expansivos como arcilla de baja alta plasticidad
y limos de alta plasticidad en general
Variables 634
Caracteriacutesticas del suelo del talud humedad del suelo que conforma el talud
inclinacioacuten de talud aacutengulo de friccioacuten del suelo cohesioacuten nivel freaacutetico factor
de seguridad Tabla 9 Variables
Tabla 9 Variables
Fuente Propia
Se establece que para la medicioacuten de variables en el problema de investigacioacuten
del proyecto que se desarrolloacute el cual estaacute basado en el ANAacuteLISIS DE
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
EXPANSIVOS Los meacutetodos que se desarrollan en la estabilizacioacuten de taludes
son
VARIABLES
CUALITATIVAS Tipo de suelo CH CL y MH
CUANTITATIVAS
Humedad del suelo que conforma el talud ndash Nivel Freaacutetico
Inclinacioacuten de talud
Altura de talud
Angulo de friccioacuten
Cohesioacuten
Factor de seguridad
Sismo
46
Meacutetodo de Bishop simplicado a pesar de solo satisface el equilibrio de
momentos y no cumple con la totalidad de las ecuaciones de la estaacutetica
presenta exactitud frente a los resultados que se obtienen en comparacioacuten
con el meacutetodo ordinario de igual manera utiliza las dovelas teniendo en
cuenta las fuerzas entre las mismas y es uno de los maacutes utilizados para
calcular el factor de seguridad de los taludes la principal restriccioacuten del
meacutetodo es que solo considera las superficies circulares (Jaime
Suarez2002)
De igual manera se ejecuta el respectivo anaacutelisis por medio de Software Slidereg
en el cual se tienen en cuenta para los modelos los paraacutemetros descritos
anteriormente
Slidereg ya que es un programa con anaacutelisis de la filtracioacuten incorporando
elementos finitos y funciones que define directamente el usuario de esta
manera el estudio de sensibilidad permite determinar el efecto de las
variables en el factor de seguridad de un talud
64 FASES DEL PROYECTO
A traveacutes de las fases es posible identificar el orden cronoloacutegico en el que se
desarrolla el presente documento para cumplir el objetivo general que es analizar
el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos por
suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo que se
describen a continuacioacuten
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas
47
Actividad 1 Consultar en diferentes fuentes de informacioacuten definiciones de
los paraacutemetros geomecaacutenicos de suelos expansivos que seraacuten estudiados
Actividad 2 Investigacioacuten del subsuelo y conocimiento determinado de
suelos expansivos referenciando los meacutetodos de exploracioacuten
Actividad 3Identificacioacuten problemas que ocasionan estos materiales con
presencia taludes ante solicitaciones de gravedad infiltracioacuten sismo
escorrentiacutea y otros
Actividad 4 Recopilacioacuten de informacioacuten secundaria referente al
comportamiento de estos materiales
Actividad 5 Documentacioacuten de antecedentes referentes a deslizamientos y
amenazas que presente un talud compuesto por suelos expansivos
identificando coacutemo se estudian los deslizamientos y los problemas
geoteacutecnicos que se presentan en estos materiales
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 642
Actividad 1 Definicioacuten de los paraacutemetros a estudiar para la modelacioacuten en
taludes
Actividad 2 Elaboracioacuten de matriz para la definicioacuten del modelo
geoteacutecnico el desarrollo y respuesta del mismo
48
Actividad 3Realizar la instruccioacuten en programas de modelacioacuten para
estabilidad de taludes
Actividad 4 Modelacioacuten geoteacutecnica mediantes equilibrio liacutemite para las
diferentes condiciones de escenarios descritos en la matriz
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 643
Actividad 1Generacioacuten de graacuteficas de resultados de las modelaciones
para la revisioacuten del factor de seguridad
Actividad 2Anaacutelisis del comportamiento de los paraacutemetros geoteacutecnicos
definidos teniendo como base la modelacioacuten realizada en diferentes
escenarios
Actividad 3 Generacioacuten de graacuteficas finales de respuesta del
comportamiento de los paraacutemetros geomecaacutenicos
Actividad 4 Anaacutelisis de resultados respecto a la generacioacuten de graacuteficas
Actividad 6 Generacioacuten y redaccioacuten del documento final
Actividad 7 Generacioacuten de Articulo
49
7 DESARROLLO METODOLOacuteGICO
Por medio de la descripcioacuten detallada de conceptos se obtiene la identificacioacuten de
suelos expansivos a estudiar que como se menciona en el documento son
materiales compuestos por arcillas de alta y baja plasticidad y limos de alta
plasticidad en donde se identifica las caracteriacutesticas mecaacutenicas geoteacutecnicas
fiacutesicas que son claves al momento del anaacutelisis de cada uno de los modelos a
ejecutar en el software Slidereg con el fin de conocer el comportamiento de los
suelos en mencioacuten cuando se tienen variables de sismo nivel freaacutetico y
geometriacutea correspondiente a diferentes aacutengulos de inclinacioacuten 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
y una altura de 10 m 20 m y variaciones con respecto al paraacutemetro Ru de 00
01 025 04 05 en condiciones estaacutetica y dinaacutemica
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS
Se realiza una descripcioacuten detallada acerca de los suelos expansivos que
conforman un talud de los cuales se analiza el factor de seguridad como lo son
arcillas de baja y alta plasticidad y limos de alta plasticidad donde se identifican
las caracteriacutesticas que componen cada uno de estos suelos y la diferencia de los
mismos para su respectiva identificacioacuten descritos en la tabla 10 Descripcioacuten de
suelos expansivos
50
CH CL ML
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGAacuteNICO DE BAJA PLASTICIDAD
Arcillas inorgaacutenicas de alta plasticidad arcillas
grasas
Arcillas inorgaacutenicas de plasticidad baja a mediana
arcillas gravosas arcillas arenosas arcillas limosas
arcillas magras
Limos inorgaacutenicos y arenas muy finas harina de
roca arenas finas limosas o arcillosas o limos
arcillosos de ligera plasticidad
Suelo de grano fino
Diaacutemetro de las partiacuteculas comprendido entre
005 mm y 0005 mm
Color variacutea desde gris claro a muy oscuro
No suelen tener propiedades colidales
A partir de 0002 mm y a medida que
aumenta el tamantildeo de las partiacuteculas se
va haciendo cada vez mayor la
proporcioacuten de minerales no arcillosos
Partiacuteculas forma redondeada
Tacto aacutespero
Mayor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de masa
Se secan con relativa rapidez y no se
pegan a los dedos
Los terrones secos tienen una cohesioacuten
apreciable pero se pueden reducir a
Pueden ser colapsables
Fuerte olor a tierra Ligero olor a tierra Olor no caracteriacutestico a menudo ninguno
Consistencia alta Menor consistencia que las CH Consistencia baja
Estructura blanda Estructura menos blanda que las CH Estructura blanda
Alta capacidad de deformarse sin agrietarse ante
un esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten
al retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse ante un
esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten al
retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse
ante un esfuerzo mecaacutenico conservando la
deformacioacuten al retirarse la carga
Plaacutesticos Plaacutesticos Ligeramente plaacutesticos
Liacutemite liquido mayor de 50 arcillas de alta
contraccioacuten-dilatacioacuten Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos
Los terrones secos se pueden partir
pero no reducir a polvo con los dedos
No son colapsables
Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosos
Partiacuteculas forma laminar
Tacto suave
Menor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de
superficie
GRAacuteFICO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS DE GRANO FINO
SUELOS EXPANSIVOS
Son suelos que al ser humedecidos sufren una expansioacuten que pone en peligro a las estructuras cimentadas sobre ellos
Su comportamieno se caracteriza principalmente por
- La contraccioacuten debido al secado
- La expansioacuten al humedeserce
- Desarrollo de presiones de expansioacuten cuando estaacute confinado y no puede expandirse
Suelen tener propiedades colidales
Suelo de grano fino suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio
hidratados procedentes de la descomposicioacuten de rocas que contienen feldespato como el granito
Diaacutemetro menor de 0005 mm
Presenta diversas coloraciones seguacuten las impurezas que contiene desde el rojo anaranjado hasta el
blanco cuando es pura
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos
Fuente Adaptado de
[En liacutenea] ltftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt[citado en 15 de
octubre del 2015]
[En liacutenea] lt httpesslidesharenetfrkfirtinsuelos-expansivosgt[citado en 15 de octubre del 2015]
[En liacutenea] lthttpwwwfceiaunreduargeologiaygeotecniaDiferenciasgt[citado en 15 de octubre del 2015
51
UNIDAD SUELO-1 SUELO-2 SUELO-3
71 63 43
32 37 24
39 26 19
31 26 23
KNm3 132 139 146
KNm3 141 146 151
24 22 20
CH MH CL
CONTENIDO INICIAL DEL AGUA
CLASIFICACIOacuteN DEL SUELO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
LIMITE DE CONSISTENCIA
COMPACTACIOacuteN
OPTIMO CONTENIDO DE AGUA
DENSIDAD LIBRE MAacuteXIMA
PROPIEDADES FISICAS INALTERADAS DE LA MUESTRA DE SUELO
DENSIDAD LIBRE INICIAL
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLAacuteSTICO
INDICE PLAacuteSTICO
PROPIEDADES
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH
Es necesario conocer las propiedades fiacutesicas de los suelos descrita en la tabla
11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos ya que de estas depende el
comportamiento mecaacutenico que lo mismos presentan ante factores intriacutensecos y
extriacutensecos como los son lluvia y sismo siendo estos importantes al momento de
observar el proceso de remocioacuten en masa de un talud cuando se afecta por estos
factores
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A traveacutes del estudio realizado en el libro expansive Soils se obtienen este tipo de
propiedades fiacutesicas de los materiales que en el presente proyecto se desarrollan
descritos en la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos en el
estudio ejecutado se describe sobre los avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento en suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
52
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar los inconvenientes que la presencia de estos
puedan generar en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada
por la expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten o
dilatacioacuten que presentan debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel
freaacutetico
Por lo tanto el limite liacutequido que presentan los tipos de suelos analizados es para
un CH de 71 MH de 63 y CL de 43 lo que indica que este es el porcentaje
en el que cada uno de estos suelos pasa de un estado liacutequido a uno plaacutestico Es
asiacute como se observa que existe maacutes probabilidad de que ocurra este fenoacutemeno
con la arcilla de alta plasticidad
Con respecto al liacutemite plaacutestico se observan valores obtenidos para un CH 32
MH 37 y 24 que es cuando el suelo pasa de un estado semisoacutelido a uno
plaacutestico siendo mayor para el limo de alta plasticidad
De tal manera que se observa el Iacutendice de plasticidad bajo como por ejemplo del
19 para una arcilla de baja plasticidad la cual significa que un pequentildeo
incremento en el con tenido de humedad del suelo lo transforma de semisoacutelido a
la condicioacuten de liacutequido es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad
Por el contrario un iacutendice de plasticidad alto como por ejemplo del 39
perteneciente a la arcilla de alta plasticidad indica que para que el suelo pase del
estado semisoacutelido al liacutequido se le debe agregar gran cantidad de agua26
Tambieacuten se obtiene el contenido oacuteptimo de agua el cual permite la obtencioacuten de la
26
Liacutemites de Atterberg Iacutendice de Plasticidad Fluidez Retraccioacuten [en liacutenea]lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
53
densidad maacutexima mediante la compactacioacuten que seguacuten tabla 11 Es 31 para un
CH 26 para el MH y 23 para el CL Siendo este valor inversamente
proporcional a la densidad libre maacutexima debido a que entre mayor es el oacuteptimo
contenido de agua menor es la densidad maacutexima
De esta manera se obtienen las propiedades fiacutesicas de los suelos estudiados
haciendo la respectiva clasificacioacuten de los materiales correspondientes a suelos
expansivos
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS
Con el fin de lograr la identificacioacuten de cada uno de los materiales se seleccionan
los paraacutemetros geomecaacutenicos siendo los mismos importantes pues de estos
depende el comportamiento y el valor de factor de seguridad del talud cuando se
relacionan con paraacutemetros geomeacutetricos y de Ru ante factores estaacuteticos y
dinaacutemicos que se describen en los siguientes numerales a partir del 731
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 731
La seleccioacuten de paraacutemetros a raiacutez de la investigacioacuten realizada se consolidoacute
teniendo en cuenta los siguientes datos bibliograacuteficos
En el libro Expansive Soil se observa la descripcioacuten de un estudio donde se
evaluacutea la presioacuten de hinchamiento del suelo el potencial de hinchamiento y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada de muestras alteradas e inalteradas de
suelos expansivos De donde se describen tres tipos de suelos seleccionados de
la parte norte de Jordania con una amplia gama de contenido de arcilla
caracterizando las propiedades fiacutesicas de estos suelos como la gradacioacuten el
liacutemite plaacutestico y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco
54
maacuteximo y el contenido oacuteptimo de agua de donde se tienen en cuenta las normas
ASTM para consolidar los resultados en la Tabla 11 del presente documento
Razoacuten por la cual se toman valores de peso especiacutefico para MH CH y CL ya que
el estudio que se explicoacute anteriormente estuvo basado en muestras de suelos
inalteradas en zonas altamente arcillosas con caracteriacutesticas similares a las que
se analizan
Otro de los estudios realizados en el libro de Expansive Soils trata de una serie
completa de pruebas de la compresioacuten inconfinada (UC) no consolidado no
drenado (UU) triaxiales y columna resonante (RC) en donde se realizan sobre
muestras estabilizadas quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del
sureste de Arlington Texas despueacutes de haber sido sometido a ciclos repetitivos
de humectacioacuten-secado (WD) inducido artificialmente en el laboratorio Se
utilizan los resultados para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo
plazo la rigidez y unidimensional (1-D) hinchazoacuten y contraccioacuten como respuesta
del suelo tratado incluyendo la resistencia a la compresioacuten inconfinada
paraacutemetros de resistencia al corte sin drenaje moacutedulo de corte dinaacutemico y
material de amortiguacioacuten
Los Meacutetodos de estabilizacioacuten incluyen sulfato resistente cemento Tipo V bajo en
calcio clase F de ceniza volaacutetil cal viva y se mezcla con fibras de polipropileno
Dichas muestras de suelo tratadas se curaron durante 7 diacuteas y despueacutes se
sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la prueba UC UU y RCl Un
ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua potable en la sala
de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a 140 degF En cambio
las caacutemaras wd permiten el monitoreo de 1-D expansioacuten-contraccioacuten que brinda
respuesta durante wd repetido Una dosis por peso 10 de cemento Tipo V
parece dar mejor rendimiento general bajo wd ciacuteclico
55
Es de esta manera como se busca resumir los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados descritos en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
natural antes de ser tratado En la misma tabla indicada pero en la fuente
bibliograacutefica se presentan los demaacutes resultados como resumen de los paraacutemetros
de resistencia al cortante (c-ɸ) obtenidos de ensayos triaxiales UU que en este
caso se omitieron debido a que nuestro estudio estaacute basado en suelos expansivos
sin tratar
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no
drenado Suelo natural antes de ser tratado
Nuacutemero de
ciclos w-d C (psi) C (KPa)
de
cambio
ɸ
(deg)
de
cambio
Suelo
Natural
0 68 469 00 06 00
1 65 449 - 44 06 00
2 67 462 - 15 06 00
4 63 435 - 74 06 00
8 69 476 + 15 06 00
16 69 473 + 07 06 00
32 69 476 + 15 06 00
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 129 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681
Los valores que se encuentran resaltados en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
56
natural antes de ser tratado fueron utilizados en el trabajo para los paraacutemetros del
material arcilla de alta plasticidad (CH)
A continuacioacuten se presentan las figuras correspondientes a los efectos del
contenido inicial de agua en la presioacuten por hinchamiento para obtener los valores
de cohesioacuten en cada uno de los tipos de suelos estudiados para ello se tiene en
cuenta las propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos resumidos en la tabla
11 donde se especifica el contenido inicial () del agua asiacute CH 24 MH 22 y CL
20 valores con los que se ingresa en el eje vertical para las figuras
correspondientes al suelo compuesto por limo de alta plasticidad y arcilla de baja
plasticidad analizado en condiciones estaacuteticas (la condicioacuten dinaacutemica se tendraacute
en cuenta en el proceso de modelacioacuten)
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH
Tomado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 134 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
57
A partir de la figura 3 se obtiene un valor de
y a su
vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla
inorgaacutenica de alta plasticidad
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para CL
Tomado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 135 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A partir de la figura 4 se obtiene un valor de
y a su vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla inorgaacutenica de alta
plasticidad
En la investigacioacuten se encuentran diferentes paraacutemetros para distintos tipos de
suelos de los cuales se analiza y compara con la fuente del libro de Expansive
58
Soils seleccionando los apropiados para ejecutar la modelacioacuten en el software
Slidereg en la Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos en el cual se
evidencian valores comparados con la fuente confiable del libro
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Consistencia
Angulo de friccioacuten
interna
ɸ en grados
Peso
especiacutefico
Kgcm2
Arena gruesa
o arena con
grava
Compacta 40 2250
Suelta 35 1450
Arena media Compacta 40 2080
Suelta 30 1450
Arena limosa
fina o limo
arenoso
Compacta 30 2080
Suelta 25 1365
Limo uniforme Compacta 30 2160
Suelta 25 1365
Arcilla-limo Suave a
mediana 20 1440-1920
Arcilla limosa Suave a
mediana 15 1440-1920
Arcilla Suave a
mediana 01 1440-1920
Fuente Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos [En liacutenea] lt httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-
diferentes-propiedades-de-los-suelosgt [citado en 11 de noviembre del 2015]
59
7311 Paraacutemetros para limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Este tipo de materiales cuentan con suelos de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse antes los esfuerzos mecaacutenicos contando con un liacutemite
liquido menor de 50 Los paraacutemetros para este material se establecen en la tabla
13 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
LIMO INORGAacuteNICO DE ALTA PLASTICIDAD
(MH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 15 146
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se toman de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten correspondiente al efecto del contenido de agua inicial en la
presioacuten de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para MH En
donde se observa la seleccioacuten del paraacutemetro en la graacutefica 3 El efecto del
contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH Ingresando en el eje horizontal con el contenido inicial
del agua descrito en la tabla No 11 Propiedades Fiacutesicas de los suelos
expansivos en la cual se describe un contenido de agua inicial de 22
que para condicioacuten estaacutetica es de 140 Kpa como presioacuten de hinchamiento
60
que permite obtener el valor de la cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten los datos obtenidos de la web ingeniero civil
denominada Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten de la tabla 13
Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos que se encuentra en un blog
peruano creado en agosto de 2010 por John J Rojas se identifica como
un portal que dedica a compartir y difundir temas relacionados con la
ingenieriacutea civil desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico Se describe en el paacuterrafo introductorio del numeral 73 de
seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos y es tomado de la tabla 11
Propiedades fiacutesicas de los suelos
7312 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
La arcilla de alta plasticidad pertenece a suelos inorgaacutenicos de grano muy fino
con baja capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico su
liacutemite liacutequido es mayor a 50 presentando asiacute los paraacutemetros geomecaacutenicos a
continuacioacuten para el respectivo material descrito en la tabla 15 Paraacutemetros
geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
61
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA
PLASTICIDAD
(CH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
469 06 141
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se tomaron de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten se encuentran resumidos los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados el anaacutelisis es efectivo por que el suelo se
presenta en estado natural En la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al
corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural
antes de ser tratado
Aacutengulo de friccioacuten tomado para el suelo natural sin ninguacuten tipo de
estabilizacioacuten ni alteracioacuten en el contenido del mismo basada en las
condiciones iniciales de suelos expansivos despueacutes de haber sido sometida
dicha muestra a ciclos repetitivos de humectacioacuten-secado (WD) inducido
artificialmente en el laboratorio para identificar el comportamiento del mismo
en cuanto a la resistencia al cortante donde el aacutengulo de friccioacuten interna
determina su comportamiento junto con la cohesioacuten resumidas dichas
62
Condiciones en la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para
ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural antes de ser
tratado
Peso especiacutefico este valor se encuentra descrito en el paacuterrafo introductorio
de seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos Tabla 11 Paraacutemetros fiacutesicos de
los suelos expansivos
7313 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
La arcilla de baja plasticidad hace parte de los suelos inorgaacutenicos de grano muy
fino con baja capacidad de deformacioacuten sin sufrir de grietas ente un esfuerzo
mecaacutenico el liacutemite liquido es menor a 50 de esta manera en la tabla 16
Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) se
describen los paraacutemetros a considerar para la modelacioacuten ejecutada
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA
PLASTICIDAD
(CL)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 01 151
Fuente propia
63
Los paraacutemetros relacionados se toman de distintas fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten corresponde al efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten
de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para CL Ingresando en
el eje horizontal con el contenido inicial del agua descrito en la tabla 11
Propiedades Fiacutesicas de los suelos expansivos se describe un contenido de
agua inicial de 20 que para condicioacuten estaacutetica muestra un valor de 140
Kpa como presioacuten de hinchamiento que permite obtener el valor de la
cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten Se obtiene de la web del ingeniero civil denominada
Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten un blog peruano creado en
agosto de 2010 por John J Rojas descrito en la tabla 13 Paraacutemetros de
diferentes tipos de suelos en donde se tiene en cuenta el portal que se
dedica a compartir y difundir temas relacionados con la ingenieriacutea civil
desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico descrito en el paacuterrafo introductorio de seleccioacuten de
paraacutemetros geomecaacutenicos de la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos
expansivos
64
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 732
Para la seleccioacuten del valor cuando hay presencia de sismo en la modelacioacuten del
talud se tiene en cuenta la norma NSR-10 TITULO A de donde se selecciona el
valor del coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva el cual
se determina en su maacuteximo valor de amenaza siacutesmica igual a 030 descrito en la
Tabla A23-1 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y de Av descrito en la
figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y Av
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo A Capitulo A2 Zona de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de
disentildeo
El valor que se selecciona en el paacuterrafo anterior para una amenaza siacutesmica alta
se multiplica por el coeficiente Kst que se utiliza para el anaacutelisis y disentildeo de
taludes en donde se debe incluir la aceleracioacuten maacutexima del terreno teniendo en
cuenta el tipo de material terreo que se manejaraacute en el presente proyecto Tomado
de la tabla H52-1 de la norma sismo resistente Observado en la figura 6
Valores de Kst A max
65
Figura 6Valores de Kst A max
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5Excavaciones y estabilidad de taludes
Seleccionando el valor que pertenece a suelos enrocados y macizos muy
rocosos con un Kst de 080 ya que no se ejecutoacute ninguacuten anaacutelisis de amplificacioacuten
en los suelos expansivos de estudio
El valor se aproxima de 024 a 025 como coeficiente de aceleracioacuten de amenaza
siacutesmica en el disentildeo de los taludes en el software Slide reg
De tal manera que para el anaacutelisis de factor de seguridad de los taludes se tiene
en cuenta el capiacutetulo H en donde se especifican los valores maacuteximos para que el
talud se encuentre en amenaza por un fenoacutemeno de remocioacuten en masa El cual se
puede observar el la figura 7Factores de seguridad indirectos miacutenimos
66
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5 Excavaciones y estabilidad de taludes
7321 Paraacutemetro de presioacuten de poros Ru
Teniendo en cuenta que el Ru es una relacioacuten de poros y esfuerzo vertical se
seleccionan valores de 00 01 025 04 y 05 en donde a medida que aumenta
dicho valor indica el nivel de agua contenido en el suelo del talud para el valor
00 el suelo se encuentra de estado natural-huacutemedo en 025 es un nivel de agua
medio en el talud y 05 talud saturado
67
Paraacutemetros geomeacutetricos 733
En la etapa de recoleccioacuten de datos se investigaron tesis relacionadas con el tema
de donde se tuvo en cuenta el documento desarrollado sobre Influencia Del
Abatimiento Del Nivel Freaacutetico En El Caacutelculo del Factor De Seguridad Para La
Estabilidad De Taludes realizado por el Ingeniero Leonardo Leuro Antildeo
2015Universidad La Gran Colombia
Para lo cual se seleccionan diferentes alturas en la geometriacutea del talud y aacutengulos
de inclinacioacuten estudiados en el proyecto descrito anteriormente los cuales fueron
Aacutengulos 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Alturas de talud de 10 m y 20 m
74 DESARROLLO DEL MODELO
A traveacutes de los paraacutemetros geomecanicos y geomeacutetricos anteriormente descritos
se disentildean taludes con diferentes condiciones con el fin de lograr un anaacutelisis
completo de lo que se presenta en campo descrito en la tabla 17 Matriz de
disentildeo
68
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
Fuente propia
De la cual se generan los modelos teniendo en cuenta los diferentes aacutengulos y
alturas en estado dinaacutemico y estaacutetico para diferentes valores de Ru de donde se
obtienen valores de factor de seguridad para el material de Arcilla de alta
plasticidad limo de alta plasticidad y arcilla de baja plasticidad en el cual se
evidencian los paraacutemetros geomecaacutenicos descritos a partir del numeral 73
Paraacutemetros geomecaacutenicos del presente documento
000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447 2416 2184 1937 1471 1307 1139 1468 1466 1465 0909 0907 0906
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670 1575 1365 1146 0993 0851 0705 0733 0731 0729 0492 0490 0489
10 1991 1983 1975 1404 1398 1392 2007 1817 1624 1380 1246 1111 1377 1376 1374 0882 0881 0880
20 1008 1000 0991 0677 0670 0664 1246 1073 0902 0887 0756 0626 0689 0687 0686 0466 0464 0463
10 1810 1804 1798 1345 1340 1336 1654 1479 1319 1248 1131 1015 1251 1250 1248 0868 0867 0866
20 0958 0951 0945 0649 0644 0638 1011 0858 0705 0763 0646 0527 0623 0622 0621 0460 0459 0458
10 1548 1542 1536 1242 1238 1233 1306 1141 0981 1107 0988 0858 1069 1068 1067 0831 0830 0830
20 0779 0773 0767 0587 0582 0578 0797 0640 0485 0648 0534 0406 0536 0535 0534 0403 0402 0402
30
45
60
75
RuALTURAANGULO
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
Ru Ru
0
Ru
025
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
C (KNM2) φ γ(KNM2)
35 15 146
Ru Ru
C (KNM2) φ γ(KNM2)
CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
35 01 151
69
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 741
Se realiza el disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en
condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 0 en
donde se indica una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Que se
observa en la figura 8Modelo en Slidereg para un CH de donde se obtiene el valor
de factor de seguridad que se muestra en la figura 9 Factor de seguridad CH
estaacutetico
Figura 8 Modelo en slide para un CH
Fuente Propia
70
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico
Fuente Propia
De esta manera se realiza este procedimiento para los materiales de MH Limo de
alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
Se lleva acabo el disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de aacutengulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico brindando asiacute un
factor de seguridad que se muestra en la figura 11 Factor de seguridad para MH
estaacutetico
71
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad para dicho modelo descrito en la
figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Fuente propia
72
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12Modelo de Slidereg para un CL estaacutetico
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad del talud que se observa en la figura
13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Fuente propia
73
En el proceso de modelacioacuten se incluye la condicioacuten de sismicidad en donde en el
Software SLIDEreg se agrega en LOADING seismic load y se coloca el valor de
025 como coeficiente de amenaza siacutesmica Aa
De esta manera se tiene en cuenta la condicioacuten dinaacutemica la cual se realiza en el
disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 para una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Observado en la figura
14Modelo en Slide para un CH dinaacutemico
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico
Fuente Propia
74
Del anterior disentildeo se logra obtener el factor de seguridad que se observa en la
figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Fuente Propia
Es asiacute como se lleva a cabo este procedimiento para los materiales de MH Limo
de alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
El disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 con una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se observa en la figura
16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
75
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad observado en la figura 17 Factor de
seguridad para MH dinaacutemico
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico
Fuente propia
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 0 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 025 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12 Modelo de Slide para un CL estaacutetico el cual se observa
76
en la Figura 18 Modelo de Slide para un CL dinaacutemico
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad del talud en condicioacuten de sismo visto
en la figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Fuente propia
77
De esta manera se modifican en el modelo los valores de Ru=0 025 y 05 y las
alturas de 10m y 20m con aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
relacionaacutendolos entre siacute obteniendo el factor de seguridad para condiciones
estaacuteticas en 144 modelos en condiciones estaacuteticas y dinaacutemicas En la segunda
modelacioacuten se realiza el mismo procedimiento con 120 modelos incluyendo
valores de Ru= 01 y 04 con una altura especifica de 10 metros para diferentes
aacutengulos
De donde se obtiene como resultado la matriz de factores de seguridad que se
muestra en la tabla 17 Valores de factor de seguridad
Tabla 17Valores de factor de seguridad
Fuente propia
De estos resultados se efectuacutea el anaacutelisis de graacuteficas que se observa en el
numeral 8anaacutelisis de resultados comparando el factor de seguridad vs el aacutengulo
para diferentes alturas del talud con presencia de CH MH y CL en
condiciones dinaacutemicas y estaacuteticas como se muestra en la figura 20 Comparacioacuten
de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para Ru=00
CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670
0
Ru
025
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
30
RuALTURAANGULO
78
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten
estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
Fuente propia
De esta manera para los 120 modelos donde los Ru= 00 01 025 04 y 05 con
una altura de 10 metros y aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75 ordm se
elaboran las graacuteficas en Excel con el fin de hacer una comparacioacuten de cada uno
de los aacutengulos con respecto al valor de factor de seguridad vs ru en estado
dinaacutemico y estaacutetico que se muestra en la Figura 21 Graacutefica Factor de seguridad
Vs Ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y altura de 10 m en CH
MH y CL de esta manera se estudian los comportamientos respectivamente en el
iacutetem 8anaacutelisis de resultados
79
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente propia
Con el fin de obtener la cohesioacuten a la que un talud compuesto por suelos
expansivos con aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm a una altura de 10 metros cumple
con los factores de seguridad expuestos en el numeral 732 Seleccioacuten de valores
de sismo y ru en estado estaacutetico y dinaacutemico se ejecuta una sensibilizacioacuten del
paraacutemetro cohesioacuten para los diferentes modelos modificando asiacute el valor de ru
en 00 01 025 04 y 05 siendo 00 la condicioacuten seca o en estado natural del
suelo 025 condicioacuten intermedia de nivel de agua en el talud y 05 condicioacuten de
saturacioacuten mientras que 01 y 04 son valores intermedios
Se realiza el siguiente procedimiento con cada uno de los modelos en donde se
encuentra una modificacioacuten de la geometriacutea (aacutengulo) el valor ru y su condicioacuten
estaacutetica o dinaacutemica
80
1 Se toma como ejemplo el modelo de talud para10 metros con un aacutengulo
de 30ordm con material de arcilla de alta plasticidad se verifica que se
encuentre la seleccioacuten en anaacutelisis Project settings statistics y se
selecciona sensitivity analysis Como se muestra en la figura 22
Sensitividad de paraacutemetros
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros
Fuente propia
2 Se seleccionan las variables y se escriben los valores de cohesioacuten que en
este caso son de 469 knm2 para CH 35 knm2 para CL y 35 knm2 para
MH en cada uno de los modelos correspondientes a cada material y con
su respectiva geometriacutea determinando los rangos de las variables que en
este caso se manejan 20 por encima y por debajo para el CH y 30 por
encima y por debajo para el CL y MH como se muestra en la figura 23
Rangos de variables
81
Figura 23 Rangos de variables
Fuente propia
3 Se corre el modelo con el fin de obtener la falla que presenta el talud y
cuando se obtiene se da clic en statistics sensitivity analysis plot se
selecciona cohesioacuten y el meacutetodo que para este caso es bishop y se da clic
en plot de donde se obtiene la graacutefica factor de seguridad vs cohesioacuten Que
se muestra en la figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud
compuesto por CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
82
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con altura de
10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
Fuente propia
4 La figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por
CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm se exporta a Excel y
se realiza el mismo procedimiento para los aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
para cada uno de los materiales CH MH y CL de donde se modifica la
condicioacuten de ru y de estaacutetico a dinaacutemico de donde se obtienen las graacuteficas
correspondientes a cada uno de los aacutengulos por cada material Como se
muestra en la figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH CL y
MH con altura de 10 m con ru=00 01025 04 y 05 en condicioacuten
estaacutetica y seudo-estaacutetica
83
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con ru=00 en
condicioacuten estaacutetica
Fuente propia
5 Al obtener las graacuteficas para CH MH y CL con condiciones de ru=00 01
025 04 y 05 se traza un liacutenea horizontal en el valor de 15 para condicioacuten
estaacutetica y en 105 para condicioacuten dinaacutemica que se describen en la tabla
7Factores de seguridad indirectos miacutenimos tomados de la NSR-10 y una
liacutenea vertical que intersecta con la liacutenea horizontal con las pendientes
correspondientes a cada uno de los valores de factor de seguridad vs
cohesioacuten que se realiza para cada aacutengulo encontrando asiacute el valor de
cohesioacuten de tal manera que los mismos indican que para las condiciones
geomeacutetricas descritas los valores de cohesioacuten que se muestran en el
anexo 4 Valores de cohesioacuten para suelos expansivos cuando se tiene un
84
valor menor al mostrado en la tabla los valores de factor de seguridad no
cumplen y es necesario realizar una modificacioacuten en el talud con el fin de
obtener estabilidad en la estructura El procedimiento para la obtencioacuten del
valor de cohesioacuten se realiza como se muestra en la figura 26 Valor de
cohesioacuten para un CH con ru=00 en condicioacuten estaacutetica para aacutengulos de
30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y 05 en
condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
85
86
87
88
89
Fuente propia
6 A traveacutes de este proceso se obtienen los resultados que se muestran en el
anexo 4Valores de cohesioacuten para suelos expansivos
90
8 ANALISIS DE RESULTADOS
A continuacioacuten se presentan los resultados y anaacutelisis de comportamiento de los
taludes compuestos por suelos expansivos Dichos resultados se asocian al valor
de factor de seguridad de los modelos disentildeados en el software Slidereg de
acuerdo a paraacutemetros geomecaacutenicos descritos en el titulo 73 Seleccioacuten de
paraacutemetros encontrados en el libro Expansive Soils de Amer Ali Al-Rawas amp
Mattheus FA Goosen de tal manera que los resultados se asocian a diferentes
condiciones como los son dinaacutemicos y estaacuteticos y cambios en el valor de ru con
respecto a alturas de 10 metros y 20 metros
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=0 en
CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 27 se analiza un comportamiento la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten en un 28 para estado
estaacutetico dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
91
expansivos siendo evidente que la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) tanto
para la altura de 10m como para la de 20m presenta un porcentaje de reduccioacuten
136 y 212 en comparacioacuten a los demaacutes tipos de suelos expansivos debido
a que tiene menor consistencia
Por lo tanto el limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor
aacutengulo de inclinacioacuten muestra un factor de reduccioacuten de 59 sin embargo su
factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada
a medida que aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas es menor
al aumentar la inclinacioacuten del talud FS disminuyendo de manera leve
En la graacutefica se evidencia que cerca de los 60deg de inclinacioacuten del talud para una
altura de 20 m MH y CH se comportan de manera similar con un factor de
seguridad de 101 y 096 equivalente al 55 respectivamente lo que indica
inestabilidad seguacuten la norma NSR-10 Tiacutetulo H Tabla H69-1 donde se especifica
que la estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetico debe ser
de 150 Mientras que en un talud de 10 m cerca de los 45deg de inclinacioacuten tanto el
MH como el CH presentan un comportamiento similar con un factor de seguridad
de 2 cumpliendo el factor miacutenimo que rige la Norma NSR-10
Al observar en la graacutefica la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) en un talud
de 20 m a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten presenta inestabilidad auacuten en condicioacuten
estaacutetica y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru
Finalmente en condiciones estaacuteticas y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru el material
oacuteptimo es CH solo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier
inclinacioacuten muestra estabilidad con un factor de reduccioacuten del 28 Cumpliendo
con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
92
Es asiacute como es preciso aclarar que en cualquier caso el FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 28 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y el paraacutemetro ru dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un talud de altura de 20m
cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 correspondiente a
150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo representa con
paraacutemetro ru el cual afecta de manera directa al talud
Uno de los factores de gran importancia es la geometriacutea que representa el talud
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
93
debido a que para un talud de 10 m hasta 20 metros el factor de reduccioacuten oscila
entre el 40 al 60
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo su factor de seguridad
disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada a medida que
aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas (C) es menor al
aumentar la inclinacioacuten del talud el FS disminuye de manera leve Este
comportamiento continua siendo caracteriacutestico de este material pues al ser
comparado con la Figura 27 el material es inadecuado no solo al aumentar la
inclinacioacuten sino tambieacuten a la presencia de agua en el suelo
En la graacutefica se puede evidenciar que cerca de los 50deg de inclinacioacuten para una
altura de 20 m MH y CH se comportan con un valor de 17 de manera diferente
quiere decir que su porcentaje restante su comportamiento es igual Sin llegar a
cumplir con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de 10 m
cerca de los 30deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CH presentan un
comportamiento similar cumpliendo con FS=21
Finalmente en condiciones estaacuteticas y con ru=025 el material oacuteptimo es CH
soacutelo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra
estabilidad modificado con el 28 de probabilidad Cumpliendo con el valor
miacutenimo establecido en la NSR-10
Entonces es preciso aclarar que en cualquier caso FS inversamente proporcional
al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
94
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 29 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y en condicioacuten criacutetica de saturacioacuten con ru=05
dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un
talud de altura de 20m cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-
10 correspondiente a 150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo
afecta de manera directa al talud y al comportamiento mecaacutenico del suelo
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 ESTAgraveTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
95
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material genera
condiciones inadecuadas no solo al aumentar la inclinacioacuten sino tambieacuten a la
presencia de agua en el suelo En donde se evidencia que para un CH con
presencia de ru= 00 hasta ru=05 su factor de reduccioacuten se ve modificado en un
1 mientras que para MH da un valor de 1982 y para un CL de 01
Cabe resaltar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para una altura de 20 m MH y
CH se comportan de manera similar con un FS=100 lo que indica estabilidad
pero no cumple con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de
10 m cerca de los 70deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CL presentan un
comportamiento similar con FS=125 A partir de eacuteste uacuteltimo anaacutelisis es importante
aclarar que el MH ya no se relaciona con el comportamiento del CH sino del CL
Finalmente en condiciones estaacuteticas y condicioacuten criacutetica de ru=05 el material
oacuteptimo sigue siendo CH como en los casos anteriores pero solo en un talud de
10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con factores
de reduccioacuten que no cambian bruscamente si no que oscilan entre el valor de
338 hasta 332 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo lo descrito anteriormente indica que en cualquier caso se analiza que el
FS es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
96
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=000
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 30 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
dinaacutemica con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica de 025 descrito en la
seleccioacuten de valores de sismo (iacutetem 732) del presente proyecto ninguno de los
materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m de
altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo afecta de
manera directa al talud
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
97
El MH es el material que a menor aacutengulo de inclinacioacuten de 51ordm en condiciones
dinaacutemicas muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material presenta
comportamientos mecaacutenicos deacutebiles no solo al aumentar la inclinacioacuten sino
tambieacuten a la presencia de un sismo lo cual se evidencia en el 187 con ru=00
y se evidencia en ru=05 con un porcentaje de 669
De tal manera se evidencia que a los 45deg de inclinacioacuten para el MH en un talud
de altura de 20 m y un CL con un talud de 10 m de altura se comportan de
manera similar comparaacutendolo con una diferencia del 08 de tal manera que a
pesar de sus diferencias dichos factores le generan inestabilidad a el talud Por
lo tanto para un aacutengulo de inclinacioacuten de 30deg y una altura 10 m su inferencia con
respecto al factor de seguridad es del 1 cumpliendo asiacute para los valores
descritos en la matriz de resultados con la NSR-10
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo sigue siendo CH como
en los casos anteriores ya que cumple con el 313 pero solo en taludes de 10
m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre
1242 y 146 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo ello indica que en cualquier caso se analiza que FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura aun en condiciones dinaacutemicas
98
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 31 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales que se analizan en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de
10 m de altura cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo y de agua en el
suelo afecta de manera directa al talud teniendo en cuenta que el factor de
reduccioacuten para un CH es de 505 en condiciones de 75ordm de inclinacioacuten
mientras que para MH es mayor pues es de 628 y para el CL de 504
De esta manera se observa que a los 60deg de inclinacioacuten para el MH y el CL en un
talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un factor de
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
99
reduccioacuten de 256 lo que indica inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta
para todos los materiales en un talud de 20 m de altura y en una altura de 10 m
para los CL
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo continuacutea siendo CH
como en los casos anteriores pero solo en un talud de 10 m de altura puesto que
frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre 1238 y
1454 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10 Sin embargo el
MH tambieacuten se comporta de manera adecuada hasta inclinaciones de 60deg puesto
que bajo estas condiciones presenta FS entre 1131 y 1307
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 32 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
100
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m
de altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 esto se
debe a que la presencia de sismo y de agua en el suelo afecta de manera directa
al talud siendo el factor de reduccioacuten para las arcillas cercano al 1 mientras que
para los limos da superior al 20
Es asiacute como se puede observar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para el MH y
el CL en un talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un
porcentaje igual de 447 lo que con lleva a que el comportamiento mecaacutenico del
suelo no es igual y genera inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta para
todos los materiales en un talud de 20 m de altura y el CL en una altura de 10 m
En condiciones dinaacutemicas el material con las mejores caracteriacutesticas se suelo es
el CH como en todos los casos mencionados anteriormente pero solo en un talud
de 10 m de altura puesto que frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra
estabilidad con FS entre 1233 y 1447 Sin embargo el MH tambieacuten se comporta
de manera adecuada hasta inclinaciones de 45deg puesto que bajo estas
condiciones presenta FS entre 1111 y 1139
Es asiacute como se concluye que FS es inversamente proporcional al aacutengulo de
inclinacioacuten a la altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica al ser comparado
entre los modelos con las diferentes condiciones de sismo
Es evidente la influencia que tiene la presencia de agua en los suelos expansivos
a continuacioacuten se presenta un anaacutelisis del comportamiento de los suelos ante la
variacioacuten del paraacutemetro ru para taludes con una altura de 10m con el fin de
analizar cuaacutel de estos materiales se ve maacutes afectado por dicho paraacutemetro
101
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 33 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad (FS) de manera
insignificante al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y 05 con
factores de reduccioacuten de 392 hasta 328 desde 30ordm de inclinacioacuten hasta 75ordm
respectivamente cumpliendo con el factor de seguridad descrito en la NSR-10
(15 en condicioacuten estaacutetica) A diferencia del limo inorgaacutenico de alta plasticidad
(MH) que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a medida que
aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS entre 2416 y 1937 Por otro lado la
arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH) disminuye FS de 2127 a 2105 a medida
que aumenta el paraacutemetro ru
A partir de lo mencionado es claro que el factor de seguridad es inversamente
proporcional al paraacutemetro ru puesto que a mayor presencia de agua en el suelo
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
000 020 040 060
FS
RU
30ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
102
menor factor de seguridad el cual se hace evidente en el cambio que se presenta
para los diferentes materiales que como ejemplo se cita del CH que para un
aacutengulo de 30ordm 10 metros de altura con ru=0 hasta 05 brinda un factor de
reduccioacuten del 1034
Se evidencia que el CH tiene un comportamiento constante frente al cambio del
factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas cumplen con respecto al valor
brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se establece
a 105 pues los valores del FS oscilan entre 1460 hasta 1447 que comparado
con el material de MH para un aacutengulo de 30ordm la diferencia estaacute en un 1306
mientras que para el CL es de 309
El CL el FS es de 0909 hasta 0906 donde el ru=00 y ru=05 teniendo
posibilidades altas de falla con respecto a los materiales CH y MH siendo
afectado cada uno de los suelos por la condicioacuten dinaacutemica que hace a los
materiales propensos para que ocurra fenoacutemenos por remocioacuten en masa
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 30deg y una altura de 10 m
todos los materiales son oacuteptimos siendo MH el mejor de ellos representado en
porcentajes de 1982 hasta el 3914 Mientras que en dinaacutemico el CL No
cumple en ninguacuten momento con los paraacutemetros establecidos por la norma sismo
resistente mientras que los otros materiales si hasta cierto aacutengulo de inclinacioacuten
como se especifica en el anexo 3 Modelacioacuten adecuada para taludes compuestos
por suelos expansivos
103
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 45deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 34 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad a medida que
aumenta el contenido de agua en el suelo al igual que el CH y MH
De tal manera que para el material CH los valores de ru=00 entre el 1 al 29
esto se debe a que la modificacioacuten que le pueda llegar a generar el agua al suelo
es miacutenima frente al resto de materiales pues en el MH da un valor del 30 Lo
cual indica que existe un paso raacutepido del agua por las partiacuteculas del suelo
generando asiacute que en condicioacuten estaacutetica para una inclinacioacuten de 45deg el CL no
cumpla con respecto al factor de seguridad de la norma NSR-10 mientras que
MH y CL si siendo CH el material maacutes oacuteptimo para estas condiciones de talud
Se infiere que al aumentar el aacutengulo a 45ordm el factor de seguridad disminuye
siendo dicho valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0500
1000
1500
2000
2500
000 020 040 060
FS
RU
45ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
104
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 se observa que para los
suelos CH y MH cumple para el aacutengulo de 45ordm mientras que para el suelo CL no
cumple con dicha condicioacuten cuando presenta un fenoacutemeno de sismo
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 60deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 35 se evidencia que CL describe un comportamiento constante que
disminuye FS en un 27 al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y
05 con FS entre 024 a 044 respectivamente incumpliendo la NSR-10 A
diferencia del MH que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
000 020 040 060
FS
RU
60ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
105
medida que aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS Por otro lado en el suelo
compuesto por CH disminuye en 14 a medida que aumenta la condicioacuten de
agua
Se observa que el CH presenta un comportamiento constante frente al cambio
del factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas que cumplen con respecto al
valor brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se
establece a 105
De tal manera que el comportamiento para el MH se evidencia que el FS es
inversamente proporcional al factor ru debido que al aumentar las condiciones de
ru en el talud el FS disminuye cumpliendo con el valor miacutenimo descrito en NSR
10 hasta un ru de 04
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 45deg y una altura de 10 m
solo el CH y MH cumplen con el factor siendo materiales oacuteptimos para el disentildeo
siendo CH el mejor de ellos en condicioacuten dinaacutemico el CL no cumple con el factor
de seguridad miacutenimo establecido mientras que el CH es un material oacuteptimo para
las diferentes condiciones establecidas el MH en cambio cumple con aacutengulos
menores a 72ordm con un ru=025 mientras que en condiciones totalmente
saturadas cumple para aacutengulos de inclinacioacuten menores a 59ordmcomo se evidencia
en el anexo 3modelacioacuten adecuada para taludes compuestos por suelos
expansivos
106
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 75deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
En la figura 36 se evidencia que para condiciones estaacuteticas el FS se cumple
para el material de CH mientras que para los otros materiales de MH y CL no
cumple con las condiciones debido a que se encuentra por debajo de lo
establecido que es de 15 con la altura de 10 m De esta manera se evidencia en
los tres materiales que el FS es inversamente proporcional al ru con cambios de
08 en el valor del ru=0 hasta un 15 para un CH mientras que para el MH
varia entre el 2488 hasta el 3734 y para un CL la variacioacuten es de 018 a
025 pues entre mayor es dicho coeficiente menor es el factor de seguridad
Siendo afectado igualmente por el aacutengulo de inclinacioacuten y la geometriacutea del talud
Es asiacute como se infiere que al aumentar el aacutengulo a 75ordm el factor de seguridad
disminuye siendo el valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
000 020 040 060
FS
RU
75ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
107
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 cuando se encuentra
amenazado por un factor de sismo se observa que para los suelos CH cumple
para el aacutengulo de 75ordm mientras que para el suelo MH cumple hasta condiciones
de ru= 01 lo que indica que para condiciones de ru= 025 04 y 05 no cumpliriacutea
con dicha condicioacuten es asiacute como se observa el CL no cumple las condiciones
miacutenimas para el factor de seguridad en condiciones dinaacutemicas
Al realizar los diferentes modelos con las condiciones descritas se observa que el
paraacutemetro geomecaacutenico que modifica el comportamiento de los suelos expansivos
presentes en un talud es la cohesioacuten por lo tanto se ejecuta sensibilizacioacuten del
paraacutemetro y se hace una anaacutelisis del comportamiento que presenta frente a
cambios de geometriacutea y paraacutemetro ru de donde se observa que de los valores
descritos en el anexo 4 Para un ru establecido con una altura y aacutengulos
seleccionados se debe tener una cohesioacuten mayor al valor presentado en la tabla
pues se tiene en cuenta que a partir de un factor de seguridad en condiciones
estaacuteticas 15 los valores de cohesioacuten deben estar por encima de dicho valor
mientras que en condiciones dinaacutemicas deben estar por encima del valor de 105
lo que indica que entre mayor sea el valor de cohesioacuten a los valores determinados
mayor seraacute la atraccioacuten y unioacuten de las partiacuteculas del suelo evitando asiacute que se
presente un proceso de remocioacuten en un talud aumentando respectivamente el
factor de seguridad
108
9 CONCLUSIONES
Se definieron los paraacutemetros geomecaacutenicos de los materiales que se analizan en
cada una de las modelaciones (arcillas y limos) a partir de la informacioacuten descrita
en los antecedentes del presente trabajo de grado Gracias al libro de Amer Ali Al-
Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soil En Effect of remolding
techniques on soil swelling and shear strength properties Londres Taylor amp
Francis e-Library 2006 a partir del cual se obtiene detalle sobre los
comportamientos de suelos expansivos en taludes de tal manera que se ejecutan
diferentes modelaciones en las que se tienen en cuenta cambios en la geometriacutea
con el fin de comparar los factores de seguridad a traveacutes de graacuteficas de las cuales
se concluyoacute
El factor de seguridad es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la
altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica de donde se observa
detalladamente la influencia de la altura en el disentildeo del talud en el cual se
identifica que para alturas de 20 m conformado por este tipo de suelos bajo esta
condiciones de modelacioacuten los factores de seguridad tanto en condiciones
dinaacutemicas como estaacuteticas estaacuten por debajo del valor descrito en la Norma Sismo
Resistente Colombiana tiacutetulo H tabla H69-1 en donde se especiacutefica que la
estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetica debe ser de 150
y para condicioacuten dinaacutemica 105 sin embargo para los taludes con alturas de 10 m
se identifica que los suelos compuestos por arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(MH) son materiales con excelentes comportamiento en condicioacuten estaacutetica y
dinaacutemica mientras que el limo inorgaacutenico de alta plasticidad es oacuteptimo en
condiciones criacuteticas con sismo y ru=05 para inclinaciones de 45deg o menores y
con sismo y ru=025 inclinaciones de 60deg o menores
109
La arcilla de alta plasticidad (CH) contiene una cohesioacuten mayor comparada a la
de la arcilla de baja plasticidad (CL) y al limo de alta plasticidad (MH) lo que
indica una mayor resistencia a la presencia de agua lo que genera mayor
estabilidad en el talud asiacute mismo el CH por presentar un valor de liacutemite liacutequido
mayor es susceptible al cambio de estado de plaacutestico a liacutequido contrario a lo que
sucede con el MH ya que su liacutemite plaacutestico es mayor al resto de los suelos debido
a esto es susceptible al cambio de estado de semi-soacutelido a plaacutestico De igual
manera para que la arcilla de alta plasticidad cambieacute de estado es necesario que
el suelo presente un mayor valor de ru=05 que en suelos expansivos este valor
es hasta 067
Para las modelaciones que se realizan en el presente proyecto se utiliza el
software Slidereg el cual resulta de faacutecil manejo con respecto al anaacutelisis del factor
de seguridad en diferentes condiciones de ru en estado dinaacutemico y sismo Asiacute
mismo el meacutetodo utilizado (Bishop simplificado) es un meacutetodo que a pesar de solo
satisfacer el equilibrio de momentos y no cumplir con la totalidad de las
ecuaciones de la estaacutetica presenta exactitud frente a los resultados que se
obtienen en comparacioacuten al meacutetodo ordinario El cual utiliza las dovelas en donde
se tiene en cuenta las fuerzas entre las mismas siendo el maacutes utilizado para
calcular el factor de seguridad de los taludes la uacutenica restriccioacuten que presenta es
que solo considera las superficies de falla circulares
Con respecto al aacutengulo de inclinacioacuten en un talud el mismo tiene una afectacioacuten
directa del factor de seguridad ya que a medida que la reconformacioacuten geomeacutetrica
del talud aumenta se genera una condicioacuten de inestabilidad directa con respecto
a la geometriacutea lo que se evidencia en las graacuteficas para un talud de 30ordm a 75ordm
respectivamente en un 28 en estado estaacutetico y un 16 en estado dinaacutemico para
un MH en estado estaacutetico es un factor de reduccioacuten de 59 mientras que en
dinaacutemico es del 42 y para CL es de 27 para dinaacutemico y estaacutetico
110
10 RECOMENDACIONES
Dentro de las recomendaciones se exponen las diversas limitaciones existentes en
cuanto a paraacutemetros geomecaacutenicos que se usan en las modelaciones y los
meacutetodos para observar el comportamiento mecaacutenico del suelo y el caacutelculo del
factor de seguridad
Para los paraacutemetros geomeacutetricos de los taludes modelados se recomienda el
disentildeo de taludes de 45deg a 60deg dependiendo del espacio del terreno ya que una
mayor inclinacioacuten implica mayores costos y el talud se hace susceptible a sufrir
procesos de remocioacuten en masa Asiacute mismo se recomiendan alturas de 10 m para
este tipo de suelos expansivos ya que mostraron mejores factores de seguridad
Cuando se tiene presencia de limos de alta plasticidad se hace necesario tener
inclinaciones en los taludes menores a 67ordm con alturas de 10m y Ru=0 mientras
que para un Ru=025 se recomienda hacer el disentildeo de un talud con una
inclinacioacuten menor a 51ordm y en estado dinaacutemico con una inclinacioacuten menor a 72ordm y
con un Ru=05 menor a 59ordm con el fin de que cumpla con los criterios descritos en
la Norma Sismo Resistente Colombiana titulo H
Para obtener el disentildeo de un talud en el presente proyecto de grado se
recomienda tener precisioacuten en el suelo sobre el cual se vaya a disentildear debido a
que se presenta los paraacutemetros geomecaacutenicos para resultados de factores de
seguridad que dependen por completo de la definicioacuten de los mismos y al
variarlos no se comportaraacuten de la manera en que se analizoacute en el presente trabajo
de grado Esto se comprueba durante la modelacioacuten realizada debido a que se
generan diferentes modelos con diferentes paraacutemetros geomecaacutenicos no
mencionados en el presente trabajo pero si tenidos en cuenta para la seleccioacuten
de los mismos
111
En la modelacioacuten de taludes del proyecto se utilizoacute el meacutetodo de Bishop
Simplificado para la modelacioacuten en el software Slidereg de tal manera que la
modelacioacuten queda abierta a la utilizacioacuten de los diversos meacutetodos existentes
112
11 BIBLIOGRAFIacuteA
AMER ALI AL-RAWAS amp MATTHEUS FA GOOSEN EXPANSIVE SOILS
Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos y propiedades
de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash
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MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -
Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos ambientalespg371
NORMA COLOMBIANA SISMO RESISTENTE Titulo A Capitulo A2 Zona
de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de disentildeo
114
NORMA COLOMBIANA SISMO RESISTENTE Titulo H Capitulo
H5Excavaciones y estabilidad de taludes
PARAacuteMETROS DE DIFERENTES TIPOS DE SUELOS [En liacutenea] lt
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RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento
Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de Campoalegre ndash Ciudad de
Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47
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SUAREZ DIacuteAZ JAIME Universidad central de Santander Profesor de la
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1
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDAD
Fuente propia
ANGULO
(ordm) H(m) RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05
10 136 80 08 212 309 304 377 374 136 79 07 213 392 244 382 204 392 244 382 205 309 304 377 374
20 525 178 17 202 290 273 281 270 525 143 452 52 535 364 505 306 534 364 505 306 290 273 281 270
10 08 178 17 201 308 304 372 368 08 178 17 202 313 154 361 207 313 154 361 208 308 304 372 368
20 236 90 310 57 316 308 312 303 236 89 310 57 440 239 475 260 447 240 475 260 316 308 312 303
10 86 266 72 240 308 305 355 352 86 266 72 240 243 54 305 147 244 54 305 147 308 306 355 352
20 55 253 176 173 350 343 291 282 55 254 176 174 384 119 397 131 384 119 397 131 349 343 291 282
10 156 361 109 304 309 305 331 327 156 361 19 34 182 88 249 33 182 88 249 33 309 305 331 327
20 23 367 104 298 312 303 313 304 23 368 104 298 328 101 378 10 328 101 378 10 312 304 314 305
ANGULO
(ordm) H(m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICOESTAacuteTICO DINAgraveMICO RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 10 09 1982 2250 020 033 313 313 413 412 380 381
20 29 20 1333 2900 191 061 338 332 369 385 329 329
10 08 09 1908 1940 022 022 295 295 312 316 359 324
20 17 19 2760 2940 043 064 328 340 288 363 360 325
10 07 07 2025 1860 024 023 257 257 245 200 306 306
20 14 17 3026 3093 032 044 323 325 245 252 262 262
10 08 07 2488 2249 018 010 198 200 152 124 223 222
20 15 15 3914 3734 037 025 246 246 187 163 248 24775
45
60
462
475
472
516505
546
578
633
503
502
503
504
ALTURA DE 10 metros A 20 metros
460
473
526
535
527
551
574
628
CH MH CL
528
502
478
521
CH MH CL
DE ESTAacuteTICO A DINAacuteMICO
RU=00 A RU=05
CL
ESTATICO DINAMICO
RU=00 A RU=05 RU=00 A RU=05
CL
MH CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
CAMBIO DE RU
MH
30
MH
CH CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTATICO DINAMICO
30
45
60
75
CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
MH CL
ESTATICO DINAMICO
116
2
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA GEOMETRIacuteA
Fuente propia
H (m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 28 16 59 42 27 27
20 26 16 69 59 9 18
CH MH CL
CON INCLINACIONES DE 30ordm A 75ordm
117
3
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
Fuente propia
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
NO CUMPLE
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X lt669ordm X lt59ordm X lt51ordm X X X X X X X lt72ordm X lt59ordm
NO CUMPLE gt67ordm gt60ordm X gt52ordm X gt73ordm gt60ordm X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
10 CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
10
20
RU=00 RU=025 RU=05RU=00 RU=025 RU=05
20
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
10
20
CL
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
118
4
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOS
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 325 352 39 45 33 36 39 46 36 38 43 50 34 36 395 465 335 36 40 465
MH C(Knm2) 15 235 31 42 23 32 39 44 20 27 36 475 23 30 38 51 223 31 40 52
CL C(Knm2) 39 42 49 58 36 39 42 50 33 35 39 45 36 385 425 495 359 389 43 495
DINAacuteM
ICA
RU RU RU RU RU
ESTAacuteTI
CARU RU RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
RU
0 01 025 04 05
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 34 353 36 392 34 35 36 391 34 352 37 40 34 353 37 40 34 353 37 40
MH C(Knm2) 0 0 0 328 0 0 30 347 0 0 32 375 0 31 348 408 30 33 36 425
CL C(Knm2) 404 42 424 443 404 42 425 442 40 418 42 442 405 42 424 442 408 419 42 442
DINAacuteM
ICA
RU RU
04 05
RU
025
ANGULOS (ordm)ANGULOS (ordm)
0
RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
01
ANGULOS (ordm)
119
10
GLOSARIO
Asentamientos deformacioacuten de un suelo
Asentamientos inmediatos causado por la deformacioacuten elaacutestica del suelo la
cual ocurre en estados del suelo saturado seco o huacutemedo
Asentamientos por consolidacioacuten es el cambio de volumen en suelos
cohesivos saturados debido a la expulsioacuten del agua que ocupan los poros Los
suelos cohesivos saturados son suelos arcillosos los cuales dependen de la
permeabilidad que contenga el suelo
Asentamientos por compresioacuten secundaria parte de una deformacioacuten que ya
sucedioacute y ocurrioacute con un esfuerzo efectivo constante con ninguacuten cambio de agua
en los poros siendo dependiente del tiempo esto ocurre por el reajuste del suelo
Colapso disminucioacuten raacutepida de volumen del suelo producida por el aumento de
los siguientes factores contenido de humedad grado de saturacioacuten tensioacuten
mediante actuante tensioacuten de corte y presioacuten de poros
Cohesioacuten es la atraccioacuten entre partiacuteculas originada por fuerzas moleculares y
peliacuteculas de agua Por lo tanto la cohesioacuten de un suelo variaraacute si cambia el
contenido de humedad esta propiedad se mide en kgcm2
Criterio de falla se da cuando en una familia de facetas de la tensioacuten alcanza
una inclinacioacuten criacutetica (f) con la normal a la faceta La ruptura seraacute cuando la
tensioacuten tangencial alcanza el valor mayor de esfuerzos cortantes
Expansioacuten la alteracioacuten de las condiciones naturales de una arcilla que
11
produzcan cambios en el contenido de agua esta se integra con la estructura
laminar de la arcilla y si estaacute confinado presentara una elevacioacuten en las presiones
internas del material
Factor de seguridad es empleado para comprender cuaacutel es el factor de que el
talud falle en las peores condiciones de comportamiento Fellenius (1927)
presentoacute el factor de seguridad como la relacioacuten entre la resistencia al corte real
calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte criacuteticos que tratan de
producir la falla a lo largo de una superficie supuesta
Friccioacuten es la resistencia al deslizamiento causado por la friccioacuten existente entre
las superficies de contacto de las partiacuteculas y su densidad de tal manera que es el
aacutengulo cuya tangente es la relacioacuten entre la fuerza que resiste el deslizamiento a
lo largo de un plano y fuerza normal aplicada a este plano
Geomecaacutenico implica el estudio geoloacutegico del comportamiento del suelo y las
rocas
Grietas de contraccioacuten fisuras relativamente anchas respecto a la longitud que
se abren cuando se contrae el suelo o una roca Su formacioacuten constituye un
fenoacutemeno caracteriacutestico de los suelos arcillosos que al descascararse forman una
red poligonal de las grietas de retraccioacuten
Grietas en cuntildea son verticales y son producidas en regiones friacuteas que se
encuentran formadas tras la congelacioacuten raacutepida del suelo
Hinchamiento separacioacuten de las laacuteminas que componen las arcillas por la
absorcioacuten de agua en el espacio inter-laminar
12
Iacutendice de plasticidad diferencia numeacuterica entre el Limite Liquido y el Limite
Plaacutestico Define el campo plaacutestico de un suelo y representa el porcentaje de
humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plaacutestico
Inestabilidad desequilibrio fluctuacioacuten e inconsistencia de un terreno cuando es
afectado por agentes externos
Limite liacutequido es el contenido de agua expresado en porcentaje respecto al
peso del suelo seco que delimita la transicioacuten entre el estado liacutequido y plaacutestico de
un suelo remoldeado o amasado
Liacutemite de contraccioacuten contenido de humedad por debajo del cual se produce
una reduccioacuten adicional de volumen o contraccioacuten en el suelo
Ladera declive lateral de un terreno cuya pendiente se conforma a traveacutes del
aacutengulo que se formoacute con la horizontal
Sensitividad proporcioacuten de la resistencia a compresioacuten simple en estado
inalterado entre la del estado remoldeado
Sensibilidad de paraacutemetros geoteacutecnicos es el anaacutelisis del comportamiento de
las propiedades que influyen en la estabilidad de taludes
Suelo parte superficial de la corteza terrestre bioloacutegicamente activa que proviene
de la desintegracioacuten o alteracioacuten fiacutesica
Suelos colapsables son los suelos que presentan un cambio de relacioacuten entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia uacuteltima
del material A este grupo pertenecen las arcillas cementadas los limos y rocas
13
de gran porosidad
Suelo expansivo es un tipo de suelo capaz de producir un aumento de volumen
en relacioacuten con los cambios de humedad que puedan llegar a presentarse Dichos
materiales tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla
debido a su estructura
Suelos desmoronables suelos en los que sin la presencia o cambio de
condiciones son capaces de producir colapso donde no existe un cambio abrupto
en relacioacuten presioacuten-deformacioacuten La saturacioacuten produce un cambio volumeacutetrico
debido al incremento de presioacuten de poros que origina la resistencia al corte del
suelo
Talud porcioacuten de tierra elevada de dimensiones variables generalmente
rematando por una cuneta y caracterizado por una vegetacioacuten especiacutefica Dicho
elemento es construido con el tiempo pero tambieacuten puede ser producto de la
ejecucioacuten realizada con una construccioacuten artificial con tierra o piedra de tal
manera que es conformada con cualquier superficie inclinada respecto a la
horizontal
Terreno porcioacuten de espacio generalmente plano de tierra en el cual no se tiene
nada construido de tal manera que se trata de un aacuterea en la que no existe un
edificio o algo que cubra la superficie del mismo
14
INTRODUCCIOacuteN
Uno de los problemas caracteriacutesticos de la ingenieriacutea civil es la estabilidad de
taludes ya que los suelos presentan comportamientos dependiendo de la
estructura que lo componen y de los factores tanto extriacutensecos como intriacutensecos
generando movimiento de tierras que pueden terminar siendo generadores de
procesos de remocioacuten en masa como deslizamientos debidos a fallas rotacionales
o traslacionales o caiacutedas de rocas y detritos generando afectaciones socio-
econoacutemicas a la regioacuten Por ello es importante abordar temas como la estabilidad
de taludes en suelos expansivos como lo son la arcilla de alta plasticidad (CH)
arcilla de baja plasticidad (CL) y limo de alta plasticidad (MH) con el fin de
identificar el comportamientos de dichos suelos ante variables geomeacutetricas de
nivel freaacutetico y sismo A partir de las propiedades geomecaacutenicas de los suelos
expansivos en estudio se modelan los taludes de los diferentes perfiles
estratigraacuteficos con la correspondiente asignacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos
por medio del software Slide reg en el que al variar las condiciones de sismo y
contenido de agua se analiza la influencia que tienen en el factor de seguridad del
talud
La escasez de informacioacuten en el tema del comportamiento de suelos expansivos
genera la importancia necesaria para estudiar y analizar el tema a profundidad
creando herramientas dirigidas a ingenieros civiles tanto en campo como en
oficina para disentildeos oacuteptimos de taludes
15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El territorio colombiano presenta variedad de suelos expansivos por su
complejidad en el comportamiento mecaacutenico se hace necesario conocer la
inestabilidad que pueden presentar principalmente este tipo de suelos1 Es asiacute
como en varias zonas de Colombia se evidencian climas friacuteos-secos lo que
ocasiona una condicioacuten de sequedad que hace que algunos tramos en los taludes
presenten caracteriacutesticas de suelos expansivos2 que se caracterizan por tener
liacutemites miacutenimos y maacuteximos de contenido de humedad entre los cuales se
presenta la expansioacuten y contraccioacuten
De esta manera se identifica que los suelos compuestos por arcillas y limos que
son capaces de retener gran cantidad de agua debido a su estructura este
proceso induce a movimientos que generan grietas y asentamientos del terreno
afectando directamente el comportamiento del suelo problema que se acusa con
los cambios estacionales debido a los ciclos de humedecimiento-secado asiacute
como la ascensioacuten de nivel freaacutetico3 de tal manera que esto presenta un riesgo
para los usuarios de las viacuteas que presentan esta tipologiacutea de material Otra de las
amenazas se identifica cuando ocurre un sismo debido a que estos suelos
tienden a transmitir las ondas del sismo con rapidez y amplitud lo que llega a
generar colapso del talud4
1 MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos
ambientalespg371 2 LEOacuteN SICARD Tomas Enrique Estado del Recurso del Suelo [en liacutenea]
lthttpwwwunperiodicounaleducodperarticleagroquimicos-envenenan-suelos-en-colombiahtmlgt [Citado en 9 de noviembre de 2013] 3ASEFA Patologiacuteas por arcillas expansivas Naturaleza y comportamiento [en liacutenea]
lthttpwwwconcretonlinecomindexphpoption=com_contentampid=3179ampItemid=27gt [citado en 5 agosto del 2015]
4CINNA LOMNITZ Las causas probables de la cataacutestrofe siacutesmica del 19 de septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica
UNAM Ciencia y desarrollo septiembreoctubre 1988 Vol XIV Nuacutem 82 CONACYT
16
Es asiacute como en varios lugares se han reportado movimientos en masa como
deslizamientos y fallas rotacionales en los cortes realizados en laderas debido a
la inestabilidad generada por los materiales de los que se encuentran compuestos
los suelos5
Debido a lo anterior se requiere hacer un estudio a los suelos expansivos los
cuales se identifican mineraloacutegicamente con la determinacioacuten de propiedades
baacutesicas tambieacuten a traveacutes de meacutetodos indirectos del potencial expansivo y
medidas directas de la expansioacuten esto con el fin de observar las caracteriacutesticas
geomecaacutenicas en la ejecucioacuten de taludes seguacuten los factores baacutesicos miacutenimos
descritos en la norma sismo resistente (NSR-10) Titulo H241
Es importante conocer iquestCuaacutel es el comportamiento de los paraacutemetros
geomecaacutenicos de taludes compuestos por suelos expansivos ante variables de
nivel freaacutetico geomeacutetria y sismo
5SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47 regionales [en liacutenea]
lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
17
2 ANTECEDENTES
Uno de los temas de mayor intereacutes en la Ingenieriacutea Civil es la estabilidad del
suelo debido a sus inesperados y diferentes comportamientos para los cuales se
hace necesario el estudio y anaacutelisis taludes con el fin de lograr estabilidad y
factores de seguridad oacuteptimos cuando se encuentran compuestos por suelos
expansivos
Se han presentado diferentes casos en donde se vuelve indispensable realizar
una caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes para el anaacutelisis de la vulnerabilidad
que tiene un sitio referente a un talud en donde se cuenta con aspectos que
definen la amenaza asociada valores encontrados para la vulnerabilidad fiacutesica6
metodologiacutea para la cual se determina el riesgo asociado a dicha vulnerabilidad
En torno a este tema en particular la mayoriacutea de las investigaciones trabajan de
forma aislada la amenaza la vulnerabilidad y no evaluacutean en forma precisa el
riesgo por la accioacuten de procesos de remocioacuten en masa que desestabilizan los
taludes con base en el esquema de la caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes es
posible desarrollar una metodologiacutea que evaluacutee el riesgo asociado a inundaciones
sismos vientos o realizar una metodologiacutea integral que involucre todas esas
variables7
En Colombia se presentan casos diversos de falla en viacuteas un ejemplo es la falla
que ocurrioacute en la viacutea Manizales ndash Mariquita Tramo 5006 Debido a la inadecuada
entrega de la alcantarilla presente en ese sitio esto produjo socavacioacuten en el talud
inferior de la viacutea quitaacutendole el soporte al muro ocasionando su volcamiento Ello
6 HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y vulnerabilidad Fiacutesica por taludes y laderas inestables
en la micro Cuenca de la quebrada Cay Ibagueacute Universidad del Tolima Departamento del Tolima Maestriacutea en
planificacioacuten y manejo ambiental de cuencas 2013 pg 119
7 ibiacuted p 119
18
acelero la rotura de un acueducto veredal que satura el relleno causando paso
restringido de vehiacuteculos a un solo carril8 El objetivo de este estudio fue identificar
las diferentes formas de estabilizacioacuten y plantear la solucioacuten definitiva
correspondiente a un sistema de estructura que consta de pilotes metaacutelicos
generando estabilizacioacuten del talud
La Universidad Nacional incluye en un estudio realizado como parte de la
caracterizacioacuten fiacutesica algunas teacutecnicas para el anaacutelisis de la composicioacuten
mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y propiedades
iacutendice en las arcillas de Barranquilla En donde se tomoacute como base el cambio
volumeacutetrico descrito en la mayoriacutea de investigaciones y como aporte al
conocimiento del comportamiento expansivo de las arcillas del distrito de
Barranquilla (Colombia) con desarrollo de un programa experimental orientado a
caracterizar sus propiedades fiacutesicas micro-estructurales y de comportamiento
geoteacutecnico en muestras naturales inalteradas La caracterizacioacuten fiacutesica incluye
composicioacuten mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y
propiedades iacutendice la microestructura de muestras naturales se analiza
cualitativamente usando teacutecnicas microscoacutepicas (oacuteptica y electroacutenica de barrido) y
deducciones indirectas a partir de curvas de retencioacuten de agua (CRA) por uacuteltimo
el comportamiento geomecaacutenico se enfoca en el estudio del cambio volumeacutetrico
en condiciones de humedecimiento - saturacioacuten y procesos de carga ndash descarga9
Alliacute se concluyoacute que el potencial de expansioacuten colapso bajo carga no depende
exclusivamente de la carga vertical aplicada antes de la saturacioacuten sino de las
condiciones de faacutebrica y succioacuten inicial del material esto difiere en lo que se
encuentra en estudios realizados en la zona10
8 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de
Campoalegre ndash Ciudad de Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
9 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
10 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
19
Se han desarrollado variedad de estudios sobre el comportamiento de suelos
expansivos como ejemplo el libro Expansive Soils editado por Amer Ali Al-Rawas
ampMattheus FA Goosen en el cual se describen avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento de suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar inconvenientes causados por la presencia de
los mismos en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada por la
expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten que presentan
debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel freaacutetico Se analizoacute el efecto
de las teacutecnicas de remoldeo en el hinchamiento de suelos y las propiedades de las
fuerzas de cizallamiento que se presentan en los resultados de los efectos de
meacutetodos sobre la presioacuten por oleaje en el suelo resistencia a la compresioacuten
inconfinada Para lo cual se tomaron tres tipos de suelos CH CL y ML con
muestras inalteradas que fueron seleccionadas en la zona norte de Jordania con
una amplia gama de contenido de arcilla
Las propiedades fiacutesicas de estos suelos incluyendo la gradacioacuten el liacutemite plaacutestico
y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco maacuteximo y el
contenido oacuteptimo de agua se obtienen a traveacutes de las especificaciones con las
que cuentan las normas ASTM Las muestras de suelos perturbados y no
perturbados se obtuvieron de los lugares descritos en el paacuterrafo anterior y fueron
probadas en el laboratorio de mecaacutenica de suelos en Jordan Universidad de
Ciencia y Tecnologiacutea Los especiacutemenes remoldeados estaban preparados para la
compresioacuten inconfinada y los ensayos de hinchazoacuten utilizando tres teacutecnicas de
remoldeo dinaacutemicas estaacuteticas y amasado Esto con el fin de lograr un estudio en
el potencial de hinchamiento de ese tipo de suelos ante los diferentes ensayos La
evaluacioacuten de la presioacuten debida a la hinchazoacuten la inflamacioacuten potencial y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada se vio afectada por el meacutetodo de
remodelacioacuten
20
Por lo tanto de este ensayo se concluyoacute que las muestras inalteradas obtienen
valores altos de presioacuten de hinchamiento la remodelacioacuten dinaacutemica tuvo los
valores maacutes altos de la hinchazoacuten y la compresioacuten inconfinada seguido por la
fuerza estaacutetica y el remoldeo por amasado respectivamente de esta manera se
observa que el contenido inicial de agua afecta tanto a la presioacuten de la hinchazoacuten
como a la resistencia a la compresioacuten inconfinada
De esta manera se encuentra el desarrollo de otro estudio ejecutado en el libro de
Expansive Soils en donde se describe una serie completa de pruebas referidas a
la compresioacuten no confinada (UC) no consolidado no drenado (UU) triaxiales y
columna resonante (RC) se realizaron sobre muestras estabilizadas
quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del sureste de Arlington Texas
despueacutes de haber sido sometido a ciclos (WD) repetidos de humectacioacuten-secado
inducido artificialmente en el laboratorio los cuales arrojaron unos resultados que
se utilizaron para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo plazo la
rigidez el efecto de hincharse y su continua contraccioacuten brindoacute respuesta del
suelo tratado incluyendo resistencia a la compresioacuten no confinada sin olvidar
resistencia al corte moacutedulo de corte dinaacutemico y material de amortiguacioacuten Se
utilizoacute meacutetodos de estabilizacioacuten que incluyen sulfato resistente cemento Tipo V
baja en calcio clase F mosca ceniza cal viva mezclaacutendolas con fibras de
polipropileno Muestras de suelo que se trataron y fueron curadas durante 7 diacuteas y
despueacutes se sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la UC UU y RC
la prueba Un ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua
potable en la sala de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a
140 F Encargoacute caacutemaras wd que permiten el monitoreo de 1-D al hincharse y
encogerse siendo esta la respuesta durante wd repetido Una dosis -por peso del
10 de cemento Tipo V el cual brinda mejor rendimiento general bajo realizado
con el ensayo de la resistencia al corte sin drenaje En donde se halloacute que Las
cenizas presentan malos resultados en comparacioacuten a todos los estabilizadores
21
con una simultaacutenea disminucioacuten de la c y bajo continuo w - d Aunque los valores
de fibras de cal suelo tratado tienden a aumentar con wd repetido Sin embargo
todos los suelos tratados superaron suelo natural despueacutes de 32 ciclos wd con el
tipo del 10 V suelo con cemento tratado mostrando un mejor rendimiento c-
De tal manera que la presencia de agua en este tipo de suelos los hace menos
resistencia a el ensayo de compresioacuten a fuerzas cortantes o de cizallamiento
debido a que alteran su estructura interna generando comportamientos
inadecuados para el cuerpo ingenieril debido a que se veraacuten afectadas las
construcciones realizadas sobre los mismos de esta manera seraacute necesario hacer
un tratamiento de estabilizacioacuten para proveer caracteriacutesticas mecaacutenicas
apropiadas de los suelos expansivos 11
11
Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos
y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
22
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos
por suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos
23
4 JUSTIFICACIOacuteN
Los suelos expansivos presentan algunas propiedades que pueden llegar a
generar variaciones en el comportamiento del suelo como los cambios
volumeacutetricos en presencia o ausencia de agua produciendo expansioacuten y
contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad portante y resistencia al corte
cuando se incrementa el contenido de agua
Al realizar cortes en laderas se presenta un cambio en la condicioacuten de resistencia
inicial del material lo que genera inestabilidad y un inminente riesgo el
comportamiento del suelo se analiza a traveacutes de la sensibilizacioacuten de paraacutemetros
que conduce a la mejora del factor de seguridad con respecto al disentildeo debido a
esto se llevoacute a cabo una comparacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes
los cuales brindaron soluciones oacuteptimas para el disentildeo de los mismos en suelos
expansivos
Es importante realizar el estudio de suelos expansivos y su comportamiento en
taludes ya que este tipo de suelos generan desplazamientos de materiales
Debido a que los suelos se hidratan y se hinchan estas condiciones se presentan
naturalmente tanto en eacutepocas de lluvia y en eacutepocas de sequia
Los riesgos que presenta en un proceso de estos son
Asentamientos en muros y cimientos
Deformacioacuten en los pavimentos y aceras
Movimientos de laderas
Roturas de cantildeerias y drenajes
Aparicioacuten de cavidades por disolucioacuten de sales
24
La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento de paraacutemetros
geomecaacutenicos en taludes ante variables de afectacioacuten para lo cual se realizan
aacutebacos que permitan identificar la manera en la que se ven afectados dichos
taludes y asiacute predecir su comportamiento por medio de programas de modelacioacuten
para el disentildeo de taludes con el fin de encontrar el factor de seguridad de disentildeo
y obtener las condiciones necesarias para la construccioacuten del mismo pensando en
el beneficio de la poblacioacuten
25
5 MARCO REFERENCIAL
El trabajo estaacute basado en la presentacioacuten de anaacutelisis sobre el comportamiento de
suelos expansivos en taludes con el fin de observar la inestabilidad del terreno el
cual se manifiesta mediante desplazamientos implicando ruina total o parcial de
sitios aledantildeos en donde se presenta este tipo de procesos de remocioacuten en masa
Este anaacutelisis conduce a un estudio referente a propiedades de los suelos que son
importantes las cuales generan cambios volumeacutetricos en presencia o ausencia de
agua produciendo expansioacuten y contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad
portante y resistencia al corte cuando se incrementa el contenido de agua
Es necesario tener presente conceptos como la composicioacuten y comportamiento
mecaacutenico de suelos expansivos que componen taludes asiacute mismo la afectacioacuten
que pueden generar estos suelos cuando son intervenidos por sismo y lluvia
Para el desarrollo de lo anterior se llevaraacute a cabo la presentacioacuten de los conceptos
tales como arcillas expansivas deslizamientos procesos de remocioacuten en masa
sensibilidad de paraacutemetros y anaacutelisis determiniacutestico
51 MARCO CONCEPTUAL
En el marco conceptual se establecen conceptos relacionados con la
investigacioacuten sobre la presencia de suelos expansivos como arcillas de baja alta
plasticidad y limos de alta plasticidad en taludes debido a que estaacute clase de
suelos tienen caracteriacutesticas de respuestas y comportamientos de expansioacuten y
contraccioacuten asociadas al humedecimiento y secado Por lo tanto la descripcioacuten
de estos comportamientos requiere el uso de un marco conceptual que incorpore
aspectos de anaacutelisis determiniacutesticos y meacutetodos de anaacutelisis con respecto al
comportamiento geomecaacutenico
26
Suelos Expansivos 511
Material susceptible que genera cambios de volumen los cuales se encuentran
directamente relacionados con cambios de humedad o variacioacuten con respecto al
contenido de agua La estructura del material retiene grandes cantidades de agua
lo que puede producir un aumento de volumen notorio12
El contenido de humedades un factor importante cuando se habla de la expansioacuten
de un suelo esto se presenta solo en los suelos expansivos como se observa en
la figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander cuando existen
variaciones climaacuteticas que influyen directamente en el comportamiento
generando grietas en el suelo13
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander
Fuente httpgooglaVWI0V
12
INGSPATRONE J amp PREFUMO JE La accioacuten de los suelos expansivos sobre las cimentaciones meacutetodos de
prevencioacuten y control Paacuteg 1-16[en
linea]lthttpwwwumeduuy_upload_descargaweb_descarga_204_AccindesuelosexpansivosAntildeo 2004gt[citado en 5 de
agosto del 2015]
13 Ibidp12
27
5111 Identificacioacuten de suelos expansivos
Los suelos expansivos se identifican de manera visual por varias caracteriacutesticas
tienen alta plasticidad si se observan en el terreno se encontraraacuten grietas
ocasionadas por la expansioacuten y contraccioacuten constante que sufre dicha superficie
esto se presenta cuando hay variacioacuten de humedad14
La identificacioacuten mineraloacutegica es una de las principales formas por las cuales se
ubican los suelos expansivos debido a que los meacutetodos maacutes recomendados son
difraccioacuten de rayos x anaacutelisis teacutermico diferencial anaacutelisis quiacutemico absorcioacuten de
tinte y la microscoacutepica electroacutenica Las cuales consisten en detectar la presencia
de minerales arcillosos que resultan expansivos15
5112 Ensayos de identificacioacuten de suelos expansivos
Es necesario ejecutar una valoracioacuten frente al comportamiento que puede llegar a
presentar un suelo con presencia de arcillas y limos cuando es sometido a
diferentes situaciones donde se ve alterada su composicioacuten de tal manera que
los diferentes ensayos permiten hacer un acercamiento de lo que sucede en la
realidad y especialmente en casos donde el suelo presenta humedad La tipologiacutea
y descripcioacuten de este tipo de ensayos se presenta en la tabla 1 Ensayos y
laboratorios en suelos descrita a continuacioacuten
14
INGSPATRONE Jamp PREFUMO JE Opcit1-16
15Ibid p1-16
28
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos
ENSAYOS Y LABORATORIOS
DESCRIPCIOgraveN
Hinchamiento Libre
Se humecta el suelo permitiendo una expansioacuten vertical
de una probeta por lo que el confinamiento lateral impide
la deformacioacuten lateral se realiza sobre muestras
inalteradas saturadas
Determinacioacuten de la presioacuten maacutexima del
hinchamiento
Impide la expansioacuten vertical al aplicar tensioacuten vertical
necesaria que compensa dicho hinchamiento se realiza
sobre muestras inalteradas Y saturadas
Ensayo de Lambe
Consiste en la preparacioacuten de una probeta de suelo que
se compacta en condiciones estandarizadas de humedad
inicial de tal manera que se impide una expansioacuten lateral
confinaacutendola en un anillo Una vez producida la
inundacioacuten de la ceacutelula se determina la tensioacuten maacutexima
de tensioacuten mediante un anillo dinamomeacutetrico con el
bastidor quienes se encargan de ejercer la reaccioacuten ante
la fuerza de expansioacuten que manifiesta la muestra al
hinchar El valor de esta tensioacuten maacutexima de hinchamiento
permite una clasificacioacuten cualitativa del material en
funcioacuten de ciertos grados de expansividad
Ensayo de volumen de sedimentacioacuten
Este criterio fue dado por Holtz y Gibbs el cual se utilizaba
para averiguar el potencial de hinchamiento de un suelo
consiste en depositar 10 cm3 de suelo seco que pase por
el tamiz Nordm40 en un cilindro graduado con 100 cm3 de
agua y se observa el aumento del volumen de la muestra
una vez sedimentada debido al hinchamiento dio
resultado se expresa en porcentaje de aumento de
volumen respecto al volumen inicial del suelo
Liacutemite Liacutequido
Es el contenido de humedad para el cual el suelo pasa
de un estado liacutequido a plaacutestico el ensayo que permite
determinar el liacutemite liquido consiste en colocar diferentes
muestras de suelo con humedad variable en un
recipiente o taza metaacutelica accionada por medio de una
manivela que se encarga de levantarla y dejarla caer
29
Fuente compilacioacuten propia tomado de Ensayos sobre suelos expansivos[en
liacutenea]lthttpwwwestudiosgeotecnicosinfoindexphpensayos-laboratorio-suelos-expansivosgt [citado en 5 de agosto del
2015]
Liacutemite liacutequido
repetidas veces Antes de inicia el ensayo se realiza una
ranura de diferentes dimensiones con una espaacutetula
contando el nuacutemero de golpes con el fin de que la ranura
quede frac12 pulgada cerrada Dichos datos se grafican y
cuando la curva obtenida corta la liacutenea correspondiente a
los 25 golpes se considera este valor como el limite
liquido del suelo
Liacutemite Plaacutestico
Es el contenido de humedad para el cual se cambia del
estado plaacutestico al semisoacutelido de tal manera que en el
estado plaacutestico el suelo es semi moldeable mientras que
en el semisoacutelido se agrieta amoldaacutendose El limite plaacutestico
queda definido cuando el suelo contiene justo la humedad
necesaria para que al amasar manualmente bastoncitos
de 03 cm estos no se agrieten y se rompan
Liacutemite de Retraccioacuten
Este liacutemite queda determinado por la miacutenima cantidad de
agua necesaria para llenar los poros de una muestra de
suelo seco a este liacutemite corresponde el menor volumen de
la masa del suelo determinado por la frontera entre el
estado soacutelido y semisoacutelido En las arcillas este liacutemite
alcanza el 5 y el 10 lo que indica que la capacidad
portante se incrementa a medida que disminuye el
porcentaje de humedad
Ensayo de Triaxial
A traveacutes de esta prueba se identifican las propiedades
de tensioacuten- deformacioacuten del suelo en este ensayo una
muestra de suelo ciliacutendrica normalmente con una
relacioacuten de altura-diaacutemetro se somete a dos
incrementos de tensioacuten axial y radial dicha muestra se
encuentra protegida con una membrana y las tensiones
radiales son impuestas por una presioacuten de confinamiento
en todas sus caras Los esfuerzos axiales son impuestos
por un vaacutestago que penetra la caacutemara de confinamiento
hasta que se produce la rotura
30
De esta manera se hace necesario identificar los tipos de deslizamientos que se
presentan en taludes los cuales generan un proceso de remocioacuten en masa
afectando de manera directa la poblacioacuten a niveles sociales econoacutemicos entre
otros identificados en la tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Fuente Compilacioacuten propia del libro de Suarez Jaime Diacuteaz Deslizamientos y estabilidad de taludes
31
ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL
BLANDO
ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES
TIPO IMAGEN
MATERIAL HOMOGENEO
MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
Seguacuten la composicioacuten y estructura del talud se produce un tipo deslizamiento esto
puede observarse en la tabla 3Efectos de la estructura en la formacioacuten de
deslizamientos de rotacioacuten donde se describe el efecto del deslizamiento
causado seguacuten la estructura del talud
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten
32
Por lo tanto Los paraacutemetros geomecaacutenicos son elementos necesarios que ayudan
a la comprensioacuten del anaacutelisis con respecto al comportamiento del suelo en el
presente trabajo se hace el estudio de los paraacutemetros descritos en la tabla 4
Paraacutemetros geomecaacutenicos
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Conociendo los paraacutemetros geomecaacutenicos que componen cada uno de los suelos
se identifica el concepto de remocioacuten en masa el cual es el desplazamiento de
grandes voluacutemenes de material superficial descrito de manera detallada en la
tabla 5Procesos de remocioacuten en masa
PARAacuteMETRO CONCEPTO ECUACIONES DESCRIPCIOacuteN
DENSIDAD
Relacioacuten entre la unidad de peso y la unidad de
voluacutemen de la fase soacutelida del suelo siendo maacutes o
menos constante ya que estaacute determinado por la
composicioacuten quiacutemica y mineraloacutegica de la fase
soacutelida
ρ=mV
ρ= densidad
m= masa
V= volumen
PESO ESPEacuteCIFICO
Se definen peso especiacutefico relativo a la relacioacuten entre
el peso especiacutefico de una sustancia y el peso
especiacutefico del agua destilada a 4 grados centigrados
sujeta a una atmoacutesfera de presioacuten
Pc=pV
Pc= Peso especigravefico
P=Peso
V= volumen
CARACTERISTICAS
ESTRUCTURALES
Se refiere a la orientacioacuten de las discontinuidades
tamantildeo y forma de rocas espaciado grado de
fracturacioacuten del macizo rocoso aacutengulo de inclinacioacuten
No aplica
EFECTO DEL AGUA
La estabilidad del talud y resistencia al cizallamiento
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos
33
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa
Fuente Ajustado de httpjulsgeoambientaljimdocomportafolioremocioacuten en masa
Es asiacute como el subsuelo o sustrato es la capa de suelo debajo de la capa
superficial de la tierra El cual incluye sustancias como arcilla yo arena que soacutelo
han sido parcialmente desglosadas por aire luz solar agua viento etc para
producir suelo verdadero Debajo del subsuelo estaacute el sustrato que puede
ser rocoso de sedimentos o depoacutesitos eoacutelicos en gran medida afectados por
factores formadores de suelo activo en el subsuelo El subsuelo contiene
LITOLOacuteGICOS ESTRUCTURALES TOPOGRAacuteFICOS ANTROacutePICOS TECTOacuteNICOS CLIMAacuteTICOS
El material superficial
se encuentra suelto y
puede ser removido
con facilidad en una
ladera por efecto de la
presioacuten de una
cantidad de agua
necesariamente si
bajo este material
superficial existe roca
consolidada e
impermeable
En el relieve se
presentan grietas o
diaclasas juntas que
por efecto de la
meteorizacioacuten fiacutesica
quiacutemica o bioloacutegica
provocan el
desmenuzamiento o
descomposicioacuten de
las rocas
Existen laderas de
montantildeas de colinas
con pendiente
abruptas o de terrenos
muy inclinados
En aacutereas con
pendientes
fuertemente taladas
(deforestadas) por el
hombre el material
superficial queda
expuesto a la
intemperie
Las ondas siacutesmicas
provocan el
desplazamientode
materiales
superficiales o de
unidades maacutes
importantes del relieve
como puede ser un
aacuterea accidentada o
no
Caen fuertes
precipitaciones o
caen de manera
continua provocan
deslizamientos sea
por aumento de
sobrecarga o por
cambios extremos en
las temperaturas las
cuales quiebran los
mantos rocosos
Es el desplazamiento de grandes voluacutemenes de material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por accioacuten directa de la fuerza de
gravedad hasta volver a encontrar un nuevo punto de reposo Los movimientos de masa se presentan sobre todo en la eacutepoca lluviosa o
durante una actividad siacutesmica
PROCESOS DE REMOCIOacuteN EN MASA
Se produce porque la fuerza actuante (sobrecarga) que es originada normalmente por el agua ejerce una presioacuten hacia abajo que rompe el
equilibrio existente hasta ese momento la gravedad proporciona la energiacutea adicional requerida para que se produzca el movimiento
descendente En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve se origina fundamentalmente por los movimientos siacutesmicos
FACTORES
CONCEPTO
ORIGEN
MOVIMIENTOS COMUNES
Formacioacuten de una superficiede ruptura recta o
curvada a partir de la cual se desplaza toda la
porcioacuten de terreno separada del conjunto con
la misma velocidad en todas sus partes
conservando su estructura y forma original
DESLIZAMIENTOS REPTACIOacuteN
Movimiento lento del suelo yo de detritos
rocosos cuesta abajo por lo general no
perceptible que afecta la parte superficial de
la ladera la capa de suelo y en algunos casos
la parte superior de la roca alterada Causas
lluvias o de fusioacuten de nieves que saturan los
suelos en ambientes huacutemedos y sobre
laderas con pendientes moderadas
DERRUMBAMIENTO
Incluye movimientos y caida directa de
material rocoso de variable dimensiones
Son causados por La fuerza gravitacional de
la tierra Grado e inestabilidad de fracturas de
la roca Efecto de meteorizacioacuten Efectos de
congelamiento del agua en las fracturas
34
partiacuteculas parcialmente degradadas por lo general de un tono maacutes claro de color
marroacuten o amarillo y contiene las raiacuteces profundas de las plantas grandes como los
aacuterboles
Existen diferentes meacutetodos de exploracioacuten para tomar muestras alteradas e
inalteradas
Una muestra alterada es aquella que estaacute constituida por material
disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales
para conservar las caracteriacutesticas de estructura y humedad in situ no
obstante en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua
original del suelo para lo cual las muestras se envasan en recipientes
impermeables y se transportan de forma que esteacuten protegidas de los
agentes atmosfeacutericos Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de
suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice y preparar especiacutemenes
compactados para someterlos a pruebas mecaacutenicas (SAHOP 1974)
Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura no
sufre de alteraciones quiacutemicas ni de humedad es decir conserva las
propiedades que teniacutea in situ Estas muestras se utilizan en el laboratorio
para identificar el tipo de suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice
y mecaacutenicas16
Las muestras inalteradas se obtendraacuten de suelos finos que pueden labrarse sin
que se disgreguen La obtencioacuten puede efectuarse en el piso o en las paredes de
una excavacioacuten como en un pozo a cielo abierto en la superficie del terreno
natural o en la de una terraceriacutea La excavacioacuten para obtener una muestra deberaacute
16Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015]
35
ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extraccioacuten de
la misma Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo
en su estado natural por lo que su obtencioacuten empaque y transporte requieren
cuidados especiales a fin de no alterarlas Las muestras deben ser identificadas
claramente Las superficies que esteacuten expuestas deben ser protegidas con
material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que
amortiguumlen las vibraciones que pudiera sufrir 17
5113 Problemas de los suelos expansivos en taludes y laderas ante
solicitaciones
Los terrenos con pendiente pronunciadas son aquellos que tienen susceptibilidad
ante fenoacutemenos como lo son los deslizamientos amplificacioacuten siacutesmica entre
otros18
Un sismo en materiales expansivos brindaraacute una respuesta dinaacutemica generada
por los suelos esto dependeraacute de las condiciones del esfuerzo de confinamiento y
del nivel de deformacioacuten que presenten los materiales de esta manera el suelo
no disipara energiacutea por poco amortiguamiento y la degradacioacuten a traveacutes de los
ciclos seraacute pequentildea lo cual indica una respuesta elaacutestica lineal Es asiacute como a
grandes deformaciones el suelo disipa mayor energiacutea por alto amortiguamiento y
la presioacuten de poro iguala el esfuerzo efectivo de confinamiento producieacutendose un
deterioro del suelo y por consiguiente la peacuterdida de resistencia por lo tanto la
respuesta es no lineal donde la rigidez decrece con el nuacutemero de ciclos19
17
Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015] 18
Criterio para calificar los suelos con fines urbanos [en liacutenea]lt httpesslidesharenetcarlosjcamachopresentacin-
de-la-materia-3742687gt [citado en 3 de octubre del 2009] 19
Comportamiento Dinaacutemico de las Arcillas [en liacutenea]
lthttpwwwptolomeounammx8080jspuibitstream132248521006014A4pdfgt[citado en 2 de enero del 2009]
36
Otro de las solicitaciones que modifican el estado de un talud se refiere a la
cantidad de agua que se infiltre por el suelo debido a que los periodos climaacuteticos
del antildeo se modifican y dependiendo de la cantidad de precipitacioacuten aumentaraacute o
disminuiraacute el nivel freaacutetico es asiacute como los suelos expansivos sufriraacuten aumento o
disminucioacuten de volumen seguacuten la cantidad de agua sea mayor o menor lo que
causara el hinchamiento en eacutepocas de lluvia y retracciones en eacutepoca seca
generando grietas y posterior rotura del suelo
Por consiguiente la gravedad podraacute causar deslizamientos con este tipo de suelos
De esta manera se presentaran perdida de asentamientos en muros y cimientos
deformacioacuten en pavimentos en las aceras movimientos de laderas y aparicioacuten de
cavidades por disolucioacuten de sales
En el caso de las cargas soportadas por suelos expansivos como lo son
pequentildeas zapatas soportando cargas livianas son faacutecilmente levantadas
mientras que cuando las zapatas son de gran tamantildeo y soportan cargas pesadas
no ocurre este proceso20
5114 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Dentro de los meacutetodos de exploracioacuten de suelos existen dos clasificaciones
meacutetodos directos y meacutetodos indirectos En la tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de
suelos se muestra una clasificacioacuten general de los meacutetodos de exploracioacuten maacutes
usuales y una breve descripcioacuten21
20
Villalaz Carlos Crespo Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta edicioacuten MexicoLimusa2004ISBN 968-18-6489-1
21 Tesis Meacutetodos de exploracioacuten de suelos [En liacutenea] lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en
23 de Junio de 2015]
37
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Meacutetodo Descripcioacuten
Meacutetodos
directos
Pozos a cielo
abierto
Es el meacutetodo maacutes satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo
Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse
en eacutel examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer
muestras alteradas e inalteradas Su aplicacioacuten eficiente resulta sobre suelos
cohesivos
Pala
posteadora
Es un meacutetodo manual de exploracioacuten somera que consiste en hincar un barreno y
obtener muestras del tipo alterado pero representativas en cuanto al contenido de
agua Se utiliza en lugares donde otros equipos mecaacutenicos no pueden ser usados
Tubo Shelby Consiste en un tubo afilado de 75 a 10 cm de diaacutemetro que se hincan a presioacuten
para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o
semiduros
Sondeo de
penetracioacuten
estaacutendar
Con esta teacutecnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la
resistencia al corte con el nuacutemero de golpes con el que se hinca el penetroacutemetro
una distancia de 30 cm El equipo consta de un penetroacutemetro el cual se hinca a
golpes mediante un martinete de 635 kg que cae desde 76 cm de alto
Muestreador
Denison
Consiste en dos tubos conceacutentricos que se hinca en el suelo para obtener
muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyeccioacuten de fluido de
perforacioacuten que se hace circular entre ambos tubos
Meacutetodos
indirectos
Meacutetodo
siacutesmico
Consiste en provocar una explosioacuten en un punto determinado del aacuterea a explorar
usando una pequentildea carga de explosivo usualmente nitro amonio Por la zona a
explorar se situacutean geoacutefonos cada 15 oacute 30 cm Este procedimiento se funda en la
velocidad de propagacioacuten de las ondas vibratorias de tipo siacutesmico a traveacutes de
diferentes medios materiales
Meacutetodo de
resistividad
eleacutectrica
Consiste en inducir una corriente eleacutectrica a traveacutes de los suelos de tal forma que
se presente una mayor o menor resistividad eleacutectrica para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo Mayores resistividades corresponden a rocas
duras siguiendo con rocas suaves y asiacute sucesivamente hasta valores menores
correspondientes a suelos suaves saturados
Meacutetodos
magneacuteticos y
gravimeacutetricos
Para el primero se utiliza un magnetoacutemetro que mide la componente vertical del
campo magneacutetico terrestre en la zona considerada en varias estaciones
proacuteximas entre siacute En los meacutetodos gravimeacutetricos se mide a aceleracioacuten del
campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar La informacioacuten
que proveen estos meacutetodos es algo erraacutetica y difiacutecil de interpretar
Fuente Ajustado de httptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdf
38
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 512
Se describen los diferentes meacutetodos de anaacutelisis en taludes con la finalidad de
observar la diferencia entre los mismos e identificar cuaacutel de ellos cumple con la
desarrollo del trabajo en el anaacutelisis del valor de factor de seguridad resumidos en
la graacutefica 2 Meacutetodos de caacutelculo
5121 Meacutetodos de equilibrio liacutemite
Se basan en leyes de la estaacutetica determinando el estado de equilibrio de un
terreno inestable No tienen en cuenta las deformaciones del terreno Suponen
que la resistencia al corte se moviliza total y concordantemente a lo largo de la
superficie de corte Se pueden clasificar en dos grupos
bull Meacutetodos exactos
bull Meacutetodos no exactos
5122 Meacutetodos exactos
El uso de las leyes de la estaacutetica da una solucioacuten exacta al problema Esto soacutelo es
posible en taludes de geometriacutea sencilla como por ejemplo la rotura planar y la
rotura por cuntildeas
5123 Meacutetodos no exactos
En la mayoriacutea de los casos la geometriacutea de la superficie de rotura no permite
obtener una solucioacuten exacta del problema solamente mediante la aplicacioacuten de las
leyes de la estaacutetica El problema es hiperestaacutetico y ha de hacerse alguna hipoacutetesis
previa que permita su resolucioacuten Se pueden tomar los meacutetodos que consideran el
equilibrio global de masa deslizante hoy en desuso y los meacutetodos de las dovelas
o rebanadas que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas
verticales
39
Los meacutetodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en
Meacutetodos aproximados que no cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica
Se pueden nombrar los meacutetodos de Fellenius Janbu y Bishop simplificado
Meacutetodos completos que cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica Los
conocidos son los meacutetodos de Morgenstern-Price Spencer y Bishop
riguroso
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo
Fuente Propia
A traveacutes de los meacutetodos de caacutelculo se desarrollan los meacutetodos de anaacutelisis para
estabilidad de taludes estos son de gran importancia para el desarrollo a nivel
numeacuterico con el fin de identificar que sucede en un talud al cambiar y modificar
ciertos paraacutemetros geomecaacutenicos mostrados dichos meacutetodos en la tabla 7
Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
40
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
Meacutetodo de
tablas o
nuacutemero de
estabilidad
Para los taludes simples homogeacuteneos se han desarrollado tablas que
permiten un caacutelculo raacutepido del factor de seguridad Existe una gran cantidad
de tablas desarrolladas por diferentes autores La primera de eacutestas fue
desarrollada por Taylor en 1966 Desde entonces han sido presentadas
varias tablas sucesivamente por Bishop y Morgenstern (1960) Hunter y
Schuster (1968) Janbuacute (1968) Morgenstern (1963) Spencer (1967)
Terzaghi y Peck (1967) y otros
Meacutetodo del
talud infinito
El meacutetodo del talud infinito es un sistema muy raacutepido y sencillo para
determinar el factor de seguridad de un talud suponiendo un talud largo
con una capa delgada de suelo en el cual cualquier tamantildeo de columna de
suelo es representativo de todo el talud Las suposiciones del meacutetodo del
talud infinito son las siguientes suelo isotroacutepico y homogeacuteneo talud
infinitamente largo y superficie de falla paralela al talud El principal uso del
meacutetodo del talud infinito es la elaboracioacuten de planos de amenaza a los
deslizamientos mediante el uso de SIGS
Meacutetodo del
bloque
deslizante
El anaacutelisis de bloque puede utilizarse cuando existe a una determinada
profundidad una superficie de debilidad relativamente recta y delgada La
masa que se mueve puede dividirse en dos o maacutes bloques y el equilibrio de
cada bloque se considera independientemente utilizando las fuerzas entre
bloques No considera la deformacioacuten de los bloques y es uacutetil cuando existe
un manto deacutebil o cuando aparece un manto muy duro sobre el cual se
puede presentar el deslizamiento
Meacutetodo
Ordinario o
de Fellenius
Conocido tambieacuten como meacutetodo Sueco meacutetodo de las Dovelas o meacutetodo
USBR Este meacutetodo asume superficies de falla circulares divide el aacuterea
de falla en tajadas verticales obtiene las fuerzas actuantes y resultantes
para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de
Seguridad
41
Meacutetodo de
Bishop
Bishop (1955) presentoacute un meacutetodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta
el efecto de las fuerzas entre las Dovelas El meacutetodo simplificado de Bishop
es uno de los meacutetodos maacutes utilizados actualmente para el caacutelculo de
factores de seguridad de los taludes Aunque el meacutetodo soacutelo satisface el
equilibrio de momentos se considera que los resultados son muy precisos
en comparacioacuten con el meacutetodo ordinario
Meacutetodo de
Janbuacute
El meacutetodo simplificado de Janbuacute se basa en la suposicioacuten de que las
fuerzas entre dovelas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de
cortante Janbuacute considera que las superficies de falla no necesariamente
son circulares y establece un factor de correccioacuten fo El factor fo depende
de la curvatura de la superficie de falla Estos factores de correccioacuten son
solamente aproximados y se basan en anaacutelisis de 30 a 40 casos
Meacutetodo de
Spencer
El meacutetodo de Spencer es un meacutetodo que satisface totalmente el equilibrio
tanto de momentos como de esfuerzos El procedimiento de Spencer
(1967) se basa en la suposicioacuten de que las fuerzas entre dovelas son
paralelas las unas con las otras o sea que tienen el mismo aacutengulo de
inclinacioacuten
Meacutetodo de
Morgenstern
y Price
El meacutetodo de Morgenstern y Price (1965) asume que existe una funcioacuten que
relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas Esta
funcioacuten puede considerarse constante como en el caso del meacutetodo de
Spencer o puede considerarse otro tipo de funcioacuten La posibilidad de
suponer una determinada funcioacuten para determinar los valores de las fuerzas
entre dovelas lo hace un meacutetodo maacutes riguroso que el de Spencer22
Adaptado de Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil
Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
22
Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-
Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
42
52 MARCO LEGAL
Para garantizar la viabilidad normativa del presente trabajo este se encuentra
acorde a los requisitos legales y normativos de la actualidad descritos en la tabla
8 Normatividad
Tabla 8 Normatividad
NORMA OBJETIVO
CE020 Estabilizacioacuten de
Suelos y de Taludes
Establecer las consideraciones teacutecnicas miacutenimas para el mejoramiento requerido de la resistencia de suelos y de la estabilidad de taludes
NSR 2010 Titulo H
Establecer criterios baacutesicos para realizar estudios geoteacutecnicos de edificaciones basados en la investigacioacuten del subsuelo y las caracteriacutesticas arquitectoacutenicas y estructurales de las edificaciones con el fin de proveer las recomendaciones geoteacutecnicas de disentildeo y construccioacuten de excavaciones y rellenos estructuras de contencioacuten cimentaciones rehabilitacioacuten o reforzamiento de edificaciones existentes y la definicioacuten de espectros de disentildeo sismo resistente para soportar los efectos por sismos y por otras amenazas geoteacutecnicas desfavorables
NSR 2010 Titulo A2
Establecer los valores de coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva para el disentildeo la cual se encuentra impliacutecita en la tabla A22 del cual se toma el valor 030 en una escala de 005 hasta 050 desde amenaza siacutesmica baja hasta amenaza siacutesmica alta lo que indica que para efecto de anaacutelisis y disentildeo de taludes se debe emplear la aceleracioacuten maacutexima del terreno en donde el coeficiente siacutesmico de disentildeo para anaacutelisis seudo estaacutetico de taludes KST tiene el valor inferior tomando asiacute el valor de 080 de suelos enrocados y macizos fracturados lo que implica ejecutar una operacioacuten matemaacutetica simple con el fin de obtener el valor de Aa adecuado para el disentildeo dinaacutemico del talud el cual es 025
Fuente Propia
43
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO
En este capiacutetulo se evidencia el enfoque que se expuso en el presente trabajo
dejando claras las caracteriacutesticas principales para el desarrollo de modelos que
presentan el factor de seguridad oacuteptimo en suelos expansivos
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN
El enfoque que se empleo es de caraacutecter cuantitativo y cualitativo ya que se tomoacute
como base de trabajo los estudios realizados en diferentes zonas compuestas por
suelos expansivos
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN
Cuenta con una investigacioacuten tipo analiacutetica ya que se desarrolloacute una matriz de
comparacioacuten entre paraacutemetros mecaacutenicos y geoteacutecnicos comunes en los suelos
expansivos en donde se buscoacute valores miacutenimos de factores de seguridad en
relacioacuten a paraacutemetros de resistencia condiciones geomeacutetricas y factores
naturales
63 DISENtildeO MUESTRAL
Para el trabajo se tiene en cuenta un talud con caracteriacutesticas geoteacutecnicas y
geomeacutetricas establecidas en donde ejecutoacute una comparacioacuten del comportamiento
del talud con respecto a valores de factor de seguridad para lo cual se realiza un
anaacutelisis de la poblacioacuten universo muestra individuo y variables descritas a
continuacioacuten
Poblacioacuten universo 631
La poblacioacuten universo de la investigacioacuten se basa en el anaacutelisis de taludes ya que
es el elemento maacutes grande del cual se tomoacute la muestra con el fin de ejecutar un
44
anaacutelisis de paraacutemetros geomecaacutenicos sobre el comportamiento de la presencia
de suelos expansivos frente a las variables correspondientes
Muestra 632
Consiste en 264 modelos ejecutados en SLIDEreg de donde se tienen en cuenta
valores de Ru= 00 025 y 05 con alturas de 10 m y 20 m aacutengulos de inclinacioacuten
de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm asiacute mismo se realizan 120 modelos adicionales en donde la
altura es de 10 m variando el valor de Ru=00 01 025 05 y aacutengulos de
inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm en donde se tiene en cuenta los paraacutemetros
geomecaacutenicos y geomeacutetricos para diferentes tipos de suelos expansivos
correspondientes
CH Arcilla de alta plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con alta
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
mayor de 50 tacto suave23
CL Arcilla de baja plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con baja
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
menor de 50 tacto suave24
MH Limo de alta plasticidad suelo de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse ante su esfuerzo mecaacutenico limite liquido menor de 50
tacto aacutespero25
23
El sistema unificado de clasificacioacuten de los suelos [en liacutenea]lt
ftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt [citado en 3 de noviembre del
2015]
24 Ibiacuted Cuadro 21
25 Ibiacuted Cuadro 21
45
Individuo 633
Taludes con presencia de suelos expansivos como arcilla de baja alta plasticidad
y limos de alta plasticidad en general
Variables 634
Caracteriacutesticas del suelo del talud humedad del suelo que conforma el talud
inclinacioacuten de talud aacutengulo de friccioacuten del suelo cohesioacuten nivel freaacutetico factor
de seguridad Tabla 9 Variables
Tabla 9 Variables
Fuente Propia
Se establece que para la medicioacuten de variables en el problema de investigacioacuten
del proyecto que se desarrolloacute el cual estaacute basado en el ANAacuteLISIS DE
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
EXPANSIVOS Los meacutetodos que se desarrollan en la estabilizacioacuten de taludes
son
VARIABLES
CUALITATIVAS Tipo de suelo CH CL y MH
CUANTITATIVAS
Humedad del suelo que conforma el talud ndash Nivel Freaacutetico
Inclinacioacuten de talud
Altura de talud
Angulo de friccioacuten
Cohesioacuten
Factor de seguridad
Sismo
46
Meacutetodo de Bishop simplicado a pesar de solo satisface el equilibrio de
momentos y no cumple con la totalidad de las ecuaciones de la estaacutetica
presenta exactitud frente a los resultados que se obtienen en comparacioacuten
con el meacutetodo ordinario de igual manera utiliza las dovelas teniendo en
cuenta las fuerzas entre las mismas y es uno de los maacutes utilizados para
calcular el factor de seguridad de los taludes la principal restriccioacuten del
meacutetodo es que solo considera las superficies circulares (Jaime
Suarez2002)
De igual manera se ejecuta el respectivo anaacutelisis por medio de Software Slidereg
en el cual se tienen en cuenta para los modelos los paraacutemetros descritos
anteriormente
Slidereg ya que es un programa con anaacutelisis de la filtracioacuten incorporando
elementos finitos y funciones que define directamente el usuario de esta
manera el estudio de sensibilidad permite determinar el efecto de las
variables en el factor de seguridad de un talud
64 FASES DEL PROYECTO
A traveacutes de las fases es posible identificar el orden cronoloacutegico en el que se
desarrolla el presente documento para cumplir el objetivo general que es analizar
el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos por
suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo que se
describen a continuacioacuten
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas
47
Actividad 1 Consultar en diferentes fuentes de informacioacuten definiciones de
los paraacutemetros geomecaacutenicos de suelos expansivos que seraacuten estudiados
Actividad 2 Investigacioacuten del subsuelo y conocimiento determinado de
suelos expansivos referenciando los meacutetodos de exploracioacuten
Actividad 3Identificacioacuten problemas que ocasionan estos materiales con
presencia taludes ante solicitaciones de gravedad infiltracioacuten sismo
escorrentiacutea y otros
Actividad 4 Recopilacioacuten de informacioacuten secundaria referente al
comportamiento de estos materiales
Actividad 5 Documentacioacuten de antecedentes referentes a deslizamientos y
amenazas que presente un talud compuesto por suelos expansivos
identificando coacutemo se estudian los deslizamientos y los problemas
geoteacutecnicos que se presentan en estos materiales
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 642
Actividad 1 Definicioacuten de los paraacutemetros a estudiar para la modelacioacuten en
taludes
Actividad 2 Elaboracioacuten de matriz para la definicioacuten del modelo
geoteacutecnico el desarrollo y respuesta del mismo
48
Actividad 3Realizar la instruccioacuten en programas de modelacioacuten para
estabilidad de taludes
Actividad 4 Modelacioacuten geoteacutecnica mediantes equilibrio liacutemite para las
diferentes condiciones de escenarios descritos en la matriz
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 643
Actividad 1Generacioacuten de graacuteficas de resultados de las modelaciones
para la revisioacuten del factor de seguridad
Actividad 2Anaacutelisis del comportamiento de los paraacutemetros geoteacutecnicos
definidos teniendo como base la modelacioacuten realizada en diferentes
escenarios
Actividad 3 Generacioacuten de graacuteficas finales de respuesta del
comportamiento de los paraacutemetros geomecaacutenicos
Actividad 4 Anaacutelisis de resultados respecto a la generacioacuten de graacuteficas
Actividad 6 Generacioacuten y redaccioacuten del documento final
Actividad 7 Generacioacuten de Articulo
49
7 DESARROLLO METODOLOacuteGICO
Por medio de la descripcioacuten detallada de conceptos se obtiene la identificacioacuten de
suelos expansivos a estudiar que como se menciona en el documento son
materiales compuestos por arcillas de alta y baja plasticidad y limos de alta
plasticidad en donde se identifica las caracteriacutesticas mecaacutenicas geoteacutecnicas
fiacutesicas que son claves al momento del anaacutelisis de cada uno de los modelos a
ejecutar en el software Slidereg con el fin de conocer el comportamiento de los
suelos en mencioacuten cuando se tienen variables de sismo nivel freaacutetico y
geometriacutea correspondiente a diferentes aacutengulos de inclinacioacuten 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
y una altura de 10 m 20 m y variaciones con respecto al paraacutemetro Ru de 00
01 025 04 05 en condiciones estaacutetica y dinaacutemica
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS
Se realiza una descripcioacuten detallada acerca de los suelos expansivos que
conforman un talud de los cuales se analiza el factor de seguridad como lo son
arcillas de baja y alta plasticidad y limos de alta plasticidad donde se identifican
las caracteriacutesticas que componen cada uno de estos suelos y la diferencia de los
mismos para su respectiva identificacioacuten descritos en la tabla 10 Descripcioacuten de
suelos expansivos
50
CH CL ML
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGAacuteNICO DE BAJA PLASTICIDAD
Arcillas inorgaacutenicas de alta plasticidad arcillas
grasas
Arcillas inorgaacutenicas de plasticidad baja a mediana
arcillas gravosas arcillas arenosas arcillas limosas
arcillas magras
Limos inorgaacutenicos y arenas muy finas harina de
roca arenas finas limosas o arcillosas o limos
arcillosos de ligera plasticidad
Suelo de grano fino
Diaacutemetro de las partiacuteculas comprendido entre
005 mm y 0005 mm
Color variacutea desde gris claro a muy oscuro
No suelen tener propiedades colidales
A partir de 0002 mm y a medida que
aumenta el tamantildeo de las partiacuteculas se
va haciendo cada vez mayor la
proporcioacuten de minerales no arcillosos
Partiacuteculas forma redondeada
Tacto aacutespero
Mayor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de masa
Se secan con relativa rapidez y no se
pegan a los dedos
Los terrones secos tienen una cohesioacuten
apreciable pero se pueden reducir a
Pueden ser colapsables
Fuerte olor a tierra Ligero olor a tierra Olor no caracteriacutestico a menudo ninguno
Consistencia alta Menor consistencia que las CH Consistencia baja
Estructura blanda Estructura menos blanda que las CH Estructura blanda
Alta capacidad de deformarse sin agrietarse ante
un esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten
al retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse ante un
esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten al
retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse
ante un esfuerzo mecaacutenico conservando la
deformacioacuten al retirarse la carga
Plaacutesticos Plaacutesticos Ligeramente plaacutesticos
Liacutemite liquido mayor de 50 arcillas de alta
contraccioacuten-dilatacioacuten Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos
Los terrones secos se pueden partir
pero no reducir a polvo con los dedos
No son colapsables
Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosos
Partiacuteculas forma laminar
Tacto suave
Menor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de
superficie
GRAacuteFICO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS DE GRANO FINO
SUELOS EXPANSIVOS
Son suelos que al ser humedecidos sufren una expansioacuten que pone en peligro a las estructuras cimentadas sobre ellos
Su comportamieno se caracteriza principalmente por
- La contraccioacuten debido al secado
- La expansioacuten al humedeserce
- Desarrollo de presiones de expansioacuten cuando estaacute confinado y no puede expandirse
Suelen tener propiedades colidales
Suelo de grano fino suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio
hidratados procedentes de la descomposicioacuten de rocas que contienen feldespato como el granito
Diaacutemetro menor de 0005 mm
Presenta diversas coloraciones seguacuten las impurezas que contiene desde el rojo anaranjado hasta el
blanco cuando es pura
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos
Fuente Adaptado de
[En liacutenea] ltftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt[citado en 15 de
octubre del 2015]
[En liacutenea] lt httpesslidesharenetfrkfirtinsuelos-expansivosgt[citado en 15 de octubre del 2015]
[En liacutenea] lthttpwwwfceiaunreduargeologiaygeotecniaDiferenciasgt[citado en 15 de octubre del 2015
51
UNIDAD SUELO-1 SUELO-2 SUELO-3
71 63 43
32 37 24
39 26 19
31 26 23
KNm3 132 139 146
KNm3 141 146 151
24 22 20
CH MH CL
CONTENIDO INICIAL DEL AGUA
CLASIFICACIOacuteN DEL SUELO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
LIMITE DE CONSISTENCIA
COMPACTACIOacuteN
OPTIMO CONTENIDO DE AGUA
DENSIDAD LIBRE MAacuteXIMA
PROPIEDADES FISICAS INALTERADAS DE LA MUESTRA DE SUELO
DENSIDAD LIBRE INICIAL
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLAacuteSTICO
INDICE PLAacuteSTICO
PROPIEDADES
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH
Es necesario conocer las propiedades fiacutesicas de los suelos descrita en la tabla
11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos ya que de estas depende el
comportamiento mecaacutenico que lo mismos presentan ante factores intriacutensecos y
extriacutensecos como los son lluvia y sismo siendo estos importantes al momento de
observar el proceso de remocioacuten en masa de un talud cuando se afecta por estos
factores
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A traveacutes del estudio realizado en el libro expansive Soils se obtienen este tipo de
propiedades fiacutesicas de los materiales que en el presente proyecto se desarrollan
descritos en la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos en el
estudio ejecutado se describe sobre los avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento en suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
52
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar los inconvenientes que la presencia de estos
puedan generar en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada
por la expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten o
dilatacioacuten que presentan debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel
freaacutetico
Por lo tanto el limite liacutequido que presentan los tipos de suelos analizados es para
un CH de 71 MH de 63 y CL de 43 lo que indica que este es el porcentaje
en el que cada uno de estos suelos pasa de un estado liacutequido a uno plaacutestico Es
asiacute como se observa que existe maacutes probabilidad de que ocurra este fenoacutemeno
con la arcilla de alta plasticidad
Con respecto al liacutemite plaacutestico se observan valores obtenidos para un CH 32
MH 37 y 24 que es cuando el suelo pasa de un estado semisoacutelido a uno
plaacutestico siendo mayor para el limo de alta plasticidad
De tal manera que se observa el Iacutendice de plasticidad bajo como por ejemplo del
19 para una arcilla de baja plasticidad la cual significa que un pequentildeo
incremento en el con tenido de humedad del suelo lo transforma de semisoacutelido a
la condicioacuten de liacutequido es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad
Por el contrario un iacutendice de plasticidad alto como por ejemplo del 39
perteneciente a la arcilla de alta plasticidad indica que para que el suelo pase del
estado semisoacutelido al liacutequido se le debe agregar gran cantidad de agua26
Tambieacuten se obtiene el contenido oacuteptimo de agua el cual permite la obtencioacuten de la
26
Liacutemites de Atterberg Iacutendice de Plasticidad Fluidez Retraccioacuten [en liacutenea]lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
53
densidad maacutexima mediante la compactacioacuten que seguacuten tabla 11 Es 31 para un
CH 26 para el MH y 23 para el CL Siendo este valor inversamente
proporcional a la densidad libre maacutexima debido a que entre mayor es el oacuteptimo
contenido de agua menor es la densidad maacutexima
De esta manera se obtienen las propiedades fiacutesicas de los suelos estudiados
haciendo la respectiva clasificacioacuten de los materiales correspondientes a suelos
expansivos
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS
Con el fin de lograr la identificacioacuten de cada uno de los materiales se seleccionan
los paraacutemetros geomecaacutenicos siendo los mismos importantes pues de estos
depende el comportamiento y el valor de factor de seguridad del talud cuando se
relacionan con paraacutemetros geomeacutetricos y de Ru ante factores estaacuteticos y
dinaacutemicos que se describen en los siguientes numerales a partir del 731
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 731
La seleccioacuten de paraacutemetros a raiacutez de la investigacioacuten realizada se consolidoacute
teniendo en cuenta los siguientes datos bibliograacuteficos
En el libro Expansive Soil se observa la descripcioacuten de un estudio donde se
evaluacutea la presioacuten de hinchamiento del suelo el potencial de hinchamiento y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada de muestras alteradas e inalteradas de
suelos expansivos De donde se describen tres tipos de suelos seleccionados de
la parte norte de Jordania con una amplia gama de contenido de arcilla
caracterizando las propiedades fiacutesicas de estos suelos como la gradacioacuten el
liacutemite plaacutestico y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco
54
maacuteximo y el contenido oacuteptimo de agua de donde se tienen en cuenta las normas
ASTM para consolidar los resultados en la Tabla 11 del presente documento
Razoacuten por la cual se toman valores de peso especiacutefico para MH CH y CL ya que
el estudio que se explicoacute anteriormente estuvo basado en muestras de suelos
inalteradas en zonas altamente arcillosas con caracteriacutesticas similares a las que
se analizan
Otro de los estudios realizados en el libro de Expansive Soils trata de una serie
completa de pruebas de la compresioacuten inconfinada (UC) no consolidado no
drenado (UU) triaxiales y columna resonante (RC) en donde se realizan sobre
muestras estabilizadas quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del
sureste de Arlington Texas despueacutes de haber sido sometido a ciclos repetitivos
de humectacioacuten-secado (WD) inducido artificialmente en el laboratorio Se
utilizan los resultados para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo
plazo la rigidez y unidimensional (1-D) hinchazoacuten y contraccioacuten como respuesta
del suelo tratado incluyendo la resistencia a la compresioacuten inconfinada
paraacutemetros de resistencia al corte sin drenaje moacutedulo de corte dinaacutemico y
material de amortiguacioacuten
Los Meacutetodos de estabilizacioacuten incluyen sulfato resistente cemento Tipo V bajo en
calcio clase F de ceniza volaacutetil cal viva y se mezcla con fibras de polipropileno
Dichas muestras de suelo tratadas se curaron durante 7 diacuteas y despueacutes se
sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la prueba UC UU y RCl Un
ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua potable en la sala
de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a 140 degF En cambio
las caacutemaras wd permiten el monitoreo de 1-D expansioacuten-contraccioacuten que brinda
respuesta durante wd repetido Una dosis por peso 10 de cemento Tipo V
parece dar mejor rendimiento general bajo wd ciacuteclico
55
Es de esta manera como se busca resumir los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados descritos en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
natural antes de ser tratado En la misma tabla indicada pero en la fuente
bibliograacutefica se presentan los demaacutes resultados como resumen de los paraacutemetros
de resistencia al cortante (c-ɸ) obtenidos de ensayos triaxiales UU que en este
caso se omitieron debido a que nuestro estudio estaacute basado en suelos expansivos
sin tratar
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no
drenado Suelo natural antes de ser tratado
Nuacutemero de
ciclos w-d C (psi) C (KPa)
de
cambio
ɸ
(deg)
de
cambio
Suelo
Natural
0 68 469 00 06 00
1 65 449 - 44 06 00
2 67 462 - 15 06 00
4 63 435 - 74 06 00
8 69 476 + 15 06 00
16 69 473 + 07 06 00
32 69 476 + 15 06 00
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 129 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681
Los valores que se encuentran resaltados en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
56
natural antes de ser tratado fueron utilizados en el trabajo para los paraacutemetros del
material arcilla de alta plasticidad (CH)
A continuacioacuten se presentan las figuras correspondientes a los efectos del
contenido inicial de agua en la presioacuten por hinchamiento para obtener los valores
de cohesioacuten en cada uno de los tipos de suelos estudiados para ello se tiene en
cuenta las propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos resumidos en la tabla
11 donde se especifica el contenido inicial () del agua asiacute CH 24 MH 22 y CL
20 valores con los que se ingresa en el eje vertical para las figuras
correspondientes al suelo compuesto por limo de alta plasticidad y arcilla de baja
plasticidad analizado en condiciones estaacuteticas (la condicioacuten dinaacutemica se tendraacute
en cuenta en el proceso de modelacioacuten)
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH
Tomado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 134 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
57
A partir de la figura 3 se obtiene un valor de
y a su
vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla
inorgaacutenica de alta plasticidad
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para CL
Tomado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 135 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A partir de la figura 4 se obtiene un valor de
y a su vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla inorgaacutenica de alta
plasticidad
En la investigacioacuten se encuentran diferentes paraacutemetros para distintos tipos de
suelos de los cuales se analiza y compara con la fuente del libro de Expansive
58
Soils seleccionando los apropiados para ejecutar la modelacioacuten en el software
Slidereg en la Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos en el cual se
evidencian valores comparados con la fuente confiable del libro
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Consistencia
Angulo de friccioacuten
interna
ɸ en grados
Peso
especiacutefico
Kgcm2
Arena gruesa
o arena con
grava
Compacta 40 2250
Suelta 35 1450
Arena media Compacta 40 2080
Suelta 30 1450
Arena limosa
fina o limo
arenoso
Compacta 30 2080
Suelta 25 1365
Limo uniforme Compacta 30 2160
Suelta 25 1365
Arcilla-limo Suave a
mediana 20 1440-1920
Arcilla limosa Suave a
mediana 15 1440-1920
Arcilla Suave a
mediana 01 1440-1920
Fuente Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos [En liacutenea] lt httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-
diferentes-propiedades-de-los-suelosgt [citado en 11 de noviembre del 2015]
59
7311 Paraacutemetros para limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Este tipo de materiales cuentan con suelos de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse antes los esfuerzos mecaacutenicos contando con un liacutemite
liquido menor de 50 Los paraacutemetros para este material se establecen en la tabla
13 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
LIMO INORGAacuteNICO DE ALTA PLASTICIDAD
(MH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 15 146
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se toman de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten correspondiente al efecto del contenido de agua inicial en la
presioacuten de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para MH En
donde se observa la seleccioacuten del paraacutemetro en la graacutefica 3 El efecto del
contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH Ingresando en el eje horizontal con el contenido inicial
del agua descrito en la tabla No 11 Propiedades Fiacutesicas de los suelos
expansivos en la cual se describe un contenido de agua inicial de 22
que para condicioacuten estaacutetica es de 140 Kpa como presioacuten de hinchamiento
60
que permite obtener el valor de la cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten los datos obtenidos de la web ingeniero civil
denominada Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten de la tabla 13
Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos que se encuentra en un blog
peruano creado en agosto de 2010 por John J Rojas se identifica como
un portal que dedica a compartir y difundir temas relacionados con la
ingenieriacutea civil desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico Se describe en el paacuterrafo introductorio del numeral 73 de
seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos y es tomado de la tabla 11
Propiedades fiacutesicas de los suelos
7312 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
La arcilla de alta plasticidad pertenece a suelos inorgaacutenicos de grano muy fino
con baja capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico su
liacutemite liacutequido es mayor a 50 presentando asiacute los paraacutemetros geomecaacutenicos a
continuacioacuten para el respectivo material descrito en la tabla 15 Paraacutemetros
geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
61
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA
PLASTICIDAD
(CH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
469 06 141
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se tomaron de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten se encuentran resumidos los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados el anaacutelisis es efectivo por que el suelo se
presenta en estado natural En la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al
corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural
antes de ser tratado
Aacutengulo de friccioacuten tomado para el suelo natural sin ninguacuten tipo de
estabilizacioacuten ni alteracioacuten en el contenido del mismo basada en las
condiciones iniciales de suelos expansivos despueacutes de haber sido sometida
dicha muestra a ciclos repetitivos de humectacioacuten-secado (WD) inducido
artificialmente en el laboratorio para identificar el comportamiento del mismo
en cuanto a la resistencia al cortante donde el aacutengulo de friccioacuten interna
determina su comportamiento junto con la cohesioacuten resumidas dichas
62
Condiciones en la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para
ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural antes de ser
tratado
Peso especiacutefico este valor se encuentra descrito en el paacuterrafo introductorio
de seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos Tabla 11 Paraacutemetros fiacutesicos de
los suelos expansivos
7313 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
La arcilla de baja plasticidad hace parte de los suelos inorgaacutenicos de grano muy
fino con baja capacidad de deformacioacuten sin sufrir de grietas ente un esfuerzo
mecaacutenico el liacutemite liquido es menor a 50 de esta manera en la tabla 16
Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) se
describen los paraacutemetros a considerar para la modelacioacuten ejecutada
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA
PLASTICIDAD
(CL)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 01 151
Fuente propia
63
Los paraacutemetros relacionados se toman de distintas fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten corresponde al efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten
de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para CL Ingresando en
el eje horizontal con el contenido inicial del agua descrito en la tabla 11
Propiedades Fiacutesicas de los suelos expansivos se describe un contenido de
agua inicial de 20 que para condicioacuten estaacutetica muestra un valor de 140
Kpa como presioacuten de hinchamiento que permite obtener el valor de la
cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten Se obtiene de la web del ingeniero civil denominada
Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten un blog peruano creado en
agosto de 2010 por John J Rojas descrito en la tabla 13 Paraacutemetros de
diferentes tipos de suelos en donde se tiene en cuenta el portal que se
dedica a compartir y difundir temas relacionados con la ingenieriacutea civil
desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico descrito en el paacuterrafo introductorio de seleccioacuten de
paraacutemetros geomecaacutenicos de la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos
expansivos
64
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 732
Para la seleccioacuten del valor cuando hay presencia de sismo en la modelacioacuten del
talud se tiene en cuenta la norma NSR-10 TITULO A de donde se selecciona el
valor del coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva el cual
se determina en su maacuteximo valor de amenaza siacutesmica igual a 030 descrito en la
Tabla A23-1 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y de Av descrito en la
figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y Av
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo A Capitulo A2 Zona de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de
disentildeo
El valor que se selecciona en el paacuterrafo anterior para una amenaza siacutesmica alta
se multiplica por el coeficiente Kst que se utiliza para el anaacutelisis y disentildeo de
taludes en donde se debe incluir la aceleracioacuten maacutexima del terreno teniendo en
cuenta el tipo de material terreo que se manejaraacute en el presente proyecto Tomado
de la tabla H52-1 de la norma sismo resistente Observado en la figura 6
Valores de Kst A max
65
Figura 6Valores de Kst A max
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5Excavaciones y estabilidad de taludes
Seleccionando el valor que pertenece a suelos enrocados y macizos muy
rocosos con un Kst de 080 ya que no se ejecutoacute ninguacuten anaacutelisis de amplificacioacuten
en los suelos expansivos de estudio
El valor se aproxima de 024 a 025 como coeficiente de aceleracioacuten de amenaza
siacutesmica en el disentildeo de los taludes en el software Slide reg
De tal manera que para el anaacutelisis de factor de seguridad de los taludes se tiene
en cuenta el capiacutetulo H en donde se especifican los valores maacuteximos para que el
talud se encuentre en amenaza por un fenoacutemeno de remocioacuten en masa El cual se
puede observar el la figura 7Factores de seguridad indirectos miacutenimos
66
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5 Excavaciones y estabilidad de taludes
7321 Paraacutemetro de presioacuten de poros Ru
Teniendo en cuenta que el Ru es una relacioacuten de poros y esfuerzo vertical se
seleccionan valores de 00 01 025 04 y 05 en donde a medida que aumenta
dicho valor indica el nivel de agua contenido en el suelo del talud para el valor
00 el suelo se encuentra de estado natural-huacutemedo en 025 es un nivel de agua
medio en el talud y 05 talud saturado
67
Paraacutemetros geomeacutetricos 733
En la etapa de recoleccioacuten de datos se investigaron tesis relacionadas con el tema
de donde se tuvo en cuenta el documento desarrollado sobre Influencia Del
Abatimiento Del Nivel Freaacutetico En El Caacutelculo del Factor De Seguridad Para La
Estabilidad De Taludes realizado por el Ingeniero Leonardo Leuro Antildeo
2015Universidad La Gran Colombia
Para lo cual se seleccionan diferentes alturas en la geometriacutea del talud y aacutengulos
de inclinacioacuten estudiados en el proyecto descrito anteriormente los cuales fueron
Aacutengulos 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Alturas de talud de 10 m y 20 m
74 DESARROLLO DEL MODELO
A traveacutes de los paraacutemetros geomecanicos y geomeacutetricos anteriormente descritos
se disentildean taludes con diferentes condiciones con el fin de lograr un anaacutelisis
completo de lo que se presenta en campo descrito en la tabla 17 Matriz de
disentildeo
68
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
Fuente propia
De la cual se generan los modelos teniendo en cuenta los diferentes aacutengulos y
alturas en estado dinaacutemico y estaacutetico para diferentes valores de Ru de donde se
obtienen valores de factor de seguridad para el material de Arcilla de alta
plasticidad limo de alta plasticidad y arcilla de baja plasticidad en el cual se
evidencian los paraacutemetros geomecaacutenicos descritos a partir del numeral 73
Paraacutemetros geomecaacutenicos del presente documento
000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447 2416 2184 1937 1471 1307 1139 1468 1466 1465 0909 0907 0906
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670 1575 1365 1146 0993 0851 0705 0733 0731 0729 0492 0490 0489
10 1991 1983 1975 1404 1398 1392 2007 1817 1624 1380 1246 1111 1377 1376 1374 0882 0881 0880
20 1008 1000 0991 0677 0670 0664 1246 1073 0902 0887 0756 0626 0689 0687 0686 0466 0464 0463
10 1810 1804 1798 1345 1340 1336 1654 1479 1319 1248 1131 1015 1251 1250 1248 0868 0867 0866
20 0958 0951 0945 0649 0644 0638 1011 0858 0705 0763 0646 0527 0623 0622 0621 0460 0459 0458
10 1548 1542 1536 1242 1238 1233 1306 1141 0981 1107 0988 0858 1069 1068 1067 0831 0830 0830
20 0779 0773 0767 0587 0582 0578 0797 0640 0485 0648 0534 0406 0536 0535 0534 0403 0402 0402
30
45
60
75
RuALTURAANGULO
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
Ru Ru
0
Ru
025
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
C (KNM2) φ γ(KNM2)
35 15 146
Ru Ru
C (KNM2) φ γ(KNM2)
CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
35 01 151
69
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 741
Se realiza el disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en
condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 0 en
donde se indica una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Que se
observa en la figura 8Modelo en Slidereg para un CH de donde se obtiene el valor
de factor de seguridad que se muestra en la figura 9 Factor de seguridad CH
estaacutetico
Figura 8 Modelo en slide para un CH
Fuente Propia
70
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico
Fuente Propia
De esta manera se realiza este procedimiento para los materiales de MH Limo de
alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
Se lleva acabo el disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de aacutengulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico brindando asiacute un
factor de seguridad que se muestra en la figura 11 Factor de seguridad para MH
estaacutetico
71
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad para dicho modelo descrito en la
figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Fuente propia
72
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12Modelo de Slidereg para un CL estaacutetico
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad del talud que se observa en la figura
13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Fuente propia
73
En el proceso de modelacioacuten se incluye la condicioacuten de sismicidad en donde en el
Software SLIDEreg se agrega en LOADING seismic load y se coloca el valor de
025 como coeficiente de amenaza siacutesmica Aa
De esta manera se tiene en cuenta la condicioacuten dinaacutemica la cual se realiza en el
disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 para una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Observado en la figura
14Modelo en Slide para un CH dinaacutemico
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico
Fuente Propia
74
Del anterior disentildeo se logra obtener el factor de seguridad que se observa en la
figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Fuente Propia
Es asiacute como se lleva a cabo este procedimiento para los materiales de MH Limo
de alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
El disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 con una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se observa en la figura
16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
75
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad observado en la figura 17 Factor de
seguridad para MH dinaacutemico
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico
Fuente propia
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 0 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 025 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12 Modelo de Slide para un CL estaacutetico el cual se observa
76
en la Figura 18 Modelo de Slide para un CL dinaacutemico
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad del talud en condicioacuten de sismo visto
en la figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Fuente propia
77
De esta manera se modifican en el modelo los valores de Ru=0 025 y 05 y las
alturas de 10m y 20m con aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
relacionaacutendolos entre siacute obteniendo el factor de seguridad para condiciones
estaacuteticas en 144 modelos en condiciones estaacuteticas y dinaacutemicas En la segunda
modelacioacuten se realiza el mismo procedimiento con 120 modelos incluyendo
valores de Ru= 01 y 04 con una altura especifica de 10 metros para diferentes
aacutengulos
De donde se obtiene como resultado la matriz de factores de seguridad que se
muestra en la tabla 17 Valores de factor de seguridad
Tabla 17Valores de factor de seguridad
Fuente propia
De estos resultados se efectuacutea el anaacutelisis de graacuteficas que se observa en el
numeral 8anaacutelisis de resultados comparando el factor de seguridad vs el aacutengulo
para diferentes alturas del talud con presencia de CH MH y CL en
condiciones dinaacutemicas y estaacuteticas como se muestra en la figura 20 Comparacioacuten
de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para Ru=00
CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670
0
Ru
025
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
30
RuALTURAANGULO
78
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten
estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
Fuente propia
De esta manera para los 120 modelos donde los Ru= 00 01 025 04 y 05 con
una altura de 10 metros y aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75 ordm se
elaboran las graacuteficas en Excel con el fin de hacer una comparacioacuten de cada uno
de los aacutengulos con respecto al valor de factor de seguridad vs ru en estado
dinaacutemico y estaacutetico que se muestra en la Figura 21 Graacutefica Factor de seguridad
Vs Ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y altura de 10 m en CH
MH y CL de esta manera se estudian los comportamientos respectivamente en el
iacutetem 8anaacutelisis de resultados
79
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente propia
Con el fin de obtener la cohesioacuten a la que un talud compuesto por suelos
expansivos con aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm a una altura de 10 metros cumple
con los factores de seguridad expuestos en el numeral 732 Seleccioacuten de valores
de sismo y ru en estado estaacutetico y dinaacutemico se ejecuta una sensibilizacioacuten del
paraacutemetro cohesioacuten para los diferentes modelos modificando asiacute el valor de ru
en 00 01 025 04 y 05 siendo 00 la condicioacuten seca o en estado natural del
suelo 025 condicioacuten intermedia de nivel de agua en el talud y 05 condicioacuten de
saturacioacuten mientras que 01 y 04 son valores intermedios
Se realiza el siguiente procedimiento con cada uno de los modelos en donde se
encuentra una modificacioacuten de la geometriacutea (aacutengulo) el valor ru y su condicioacuten
estaacutetica o dinaacutemica
80
1 Se toma como ejemplo el modelo de talud para10 metros con un aacutengulo
de 30ordm con material de arcilla de alta plasticidad se verifica que se
encuentre la seleccioacuten en anaacutelisis Project settings statistics y se
selecciona sensitivity analysis Como se muestra en la figura 22
Sensitividad de paraacutemetros
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros
Fuente propia
2 Se seleccionan las variables y se escriben los valores de cohesioacuten que en
este caso son de 469 knm2 para CH 35 knm2 para CL y 35 knm2 para
MH en cada uno de los modelos correspondientes a cada material y con
su respectiva geometriacutea determinando los rangos de las variables que en
este caso se manejan 20 por encima y por debajo para el CH y 30 por
encima y por debajo para el CL y MH como se muestra en la figura 23
Rangos de variables
81
Figura 23 Rangos de variables
Fuente propia
3 Se corre el modelo con el fin de obtener la falla que presenta el talud y
cuando se obtiene se da clic en statistics sensitivity analysis plot se
selecciona cohesioacuten y el meacutetodo que para este caso es bishop y se da clic
en plot de donde se obtiene la graacutefica factor de seguridad vs cohesioacuten Que
se muestra en la figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud
compuesto por CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
82
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con altura de
10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
Fuente propia
4 La figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por
CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm se exporta a Excel y
se realiza el mismo procedimiento para los aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
para cada uno de los materiales CH MH y CL de donde se modifica la
condicioacuten de ru y de estaacutetico a dinaacutemico de donde se obtienen las graacuteficas
correspondientes a cada uno de los aacutengulos por cada material Como se
muestra en la figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH CL y
MH con altura de 10 m con ru=00 01025 04 y 05 en condicioacuten
estaacutetica y seudo-estaacutetica
83
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con ru=00 en
condicioacuten estaacutetica
Fuente propia
5 Al obtener las graacuteficas para CH MH y CL con condiciones de ru=00 01
025 04 y 05 se traza un liacutenea horizontal en el valor de 15 para condicioacuten
estaacutetica y en 105 para condicioacuten dinaacutemica que se describen en la tabla
7Factores de seguridad indirectos miacutenimos tomados de la NSR-10 y una
liacutenea vertical que intersecta con la liacutenea horizontal con las pendientes
correspondientes a cada uno de los valores de factor de seguridad vs
cohesioacuten que se realiza para cada aacutengulo encontrando asiacute el valor de
cohesioacuten de tal manera que los mismos indican que para las condiciones
geomeacutetricas descritas los valores de cohesioacuten que se muestran en el
anexo 4 Valores de cohesioacuten para suelos expansivos cuando se tiene un
84
valor menor al mostrado en la tabla los valores de factor de seguridad no
cumplen y es necesario realizar una modificacioacuten en el talud con el fin de
obtener estabilidad en la estructura El procedimiento para la obtencioacuten del
valor de cohesioacuten se realiza como se muestra en la figura 26 Valor de
cohesioacuten para un CH con ru=00 en condicioacuten estaacutetica para aacutengulos de
30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y 05 en
condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
85
86
87
88
89
Fuente propia
6 A traveacutes de este proceso se obtienen los resultados que se muestran en el
anexo 4Valores de cohesioacuten para suelos expansivos
90
8 ANALISIS DE RESULTADOS
A continuacioacuten se presentan los resultados y anaacutelisis de comportamiento de los
taludes compuestos por suelos expansivos Dichos resultados se asocian al valor
de factor de seguridad de los modelos disentildeados en el software Slidereg de
acuerdo a paraacutemetros geomecaacutenicos descritos en el titulo 73 Seleccioacuten de
paraacutemetros encontrados en el libro Expansive Soils de Amer Ali Al-Rawas amp
Mattheus FA Goosen de tal manera que los resultados se asocian a diferentes
condiciones como los son dinaacutemicos y estaacuteticos y cambios en el valor de ru con
respecto a alturas de 10 metros y 20 metros
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=0 en
CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 27 se analiza un comportamiento la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten en un 28 para estado
estaacutetico dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
91
expansivos siendo evidente que la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) tanto
para la altura de 10m como para la de 20m presenta un porcentaje de reduccioacuten
136 y 212 en comparacioacuten a los demaacutes tipos de suelos expansivos debido
a que tiene menor consistencia
Por lo tanto el limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor
aacutengulo de inclinacioacuten muestra un factor de reduccioacuten de 59 sin embargo su
factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada
a medida que aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas es menor
al aumentar la inclinacioacuten del talud FS disminuyendo de manera leve
En la graacutefica se evidencia que cerca de los 60deg de inclinacioacuten del talud para una
altura de 20 m MH y CH se comportan de manera similar con un factor de
seguridad de 101 y 096 equivalente al 55 respectivamente lo que indica
inestabilidad seguacuten la norma NSR-10 Tiacutetulo H Tabla H69-1 donde se especifica
que la estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetico debe ser
de 150 Mientras que en un talud de 10 m cerca de los 45deg de inclinacioacuten tanto el
MH como el CH presentan un comportamiento similar con un factor de seguridad
de 2 cumpliendo el factor miacutenimo que rige la Norma NSR-10
Al observar en la graacutefica la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) en un talud
de 20 m a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten presenta inestabilidad auacuten en condicioacuten
estaacutetica y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru
Finalmente en condiciones estaacuteticas y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru el material
oacuteptimo es CH solo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier
inclinacioacuten muestra estabilidad con un factor de reduccioacuten del 28 Cumpliendo
con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
92
Es asiacute como es preciso aclarar que en cualquier caso el FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 28 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y el paraacutemetro ru dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un talud de altura de 20m
cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 correspondiente a
150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo representa con
paraacutemetro ru el cual afecta de manera directa al talud
Uno de los factores de gran importancia es la geometriacutea que representa el talud
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
93
debido a que para un talud de 10 m hasta 20 metros el factor de reduccioacuten oscila
entre el 40 al 60
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo su factor de seguridad
disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada a medida que
aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas (C) es menor al
aumentar la inclinacioacuten del talud el FS disminuye de manera leve Este
comportamiento continua siendo caracteriacutestico de este material pues al ser
comparado con la Figura 27 el material es inadecuado no solo al aumentar la
inclinacioacuten sino tambieacuten a la presencia de agua en el suelo
En la graacutefica se puede evidenciar que cerca de los 50deg de inclinacioacuten para una
altura de 20 m MH y CH se comportan con un valor de 17 de manera diferente
quiere decir que su porcentaje restante su comportamiento es igual Sin llegar a
cumplir con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de 10 m
cerca de los 30deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CH presentan un
comportamiento similar cumpliendo con FS=21
Finalmente en condiciones estaacuteticas y con ru=025 el material oacuteptimo es CH
soacutelo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra
estabilidad modificado con el 28 de probabilidad Cumpliendo con el valor
miacutenimo establecido en la NSR-10
Entonces es preciso aclarar que en cualquier caso FS inversamente proporcional
al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
94
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 29 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y en condicioacuten criacutetica de saturacioacuten con ru=05
dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un
talud de altura de 20m cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-
10 correspondiente a 150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo
afecta de manera directa al talud y al comportamiento mecaacutenico del suelo
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 ESTAgraveTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
95
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material genera
condiciones inadecuadas no solo al aumentar la inclinacioacuten sino tambieacuten a la
presencia de agua en el suelo En donde se evidencia que para un CH con
presencia de ru= 00 hasta ru=05 su factor de reduccioacuten se ve modificado en un
1 mientras que para MH da un valor de 1982 y para un CL de 01
Cabe resaltar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para una altura de 20 m MH y
CH se comportan de manera similar con un FS=100 lo que indica estabilidad
pero no cumple con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de
10 m cerca de los 70deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CL presentan un
comportamiento similar con FS=125 A partir de eacuteste uacuteltimo anaacutelisis es importante
aclarar que el MH ya no se relaciona con el comportamiento del CH sino del CL
Finalmente en condiciones estaacuteticas y condicioacuten criacutetica de ru=05 el material
oacuteptimo sigue siendo CH como en los casos anteriores pero solo en un talud de
10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con factores
de reduccioacuten que no cambian bruscamente si no que oscilan entre el valor de
338 hasta 332 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo lo descrito anteriormente indica que en cualquier caso se analiza que el
FS es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
96
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=000
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 30 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
dinaacutemica con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica de 025 descrito en la
seleccioacuten de valores de sismo (iacutetem 732) del presente proyecto ninguno de los
materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m de
altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo afecta de
manera directa al talud
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
97
El MH es el material que a menor aacutengulo de inclinacioacuten de 51ordm en condiciones
dinaacutemicas muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material presenta
comportamientos mecaacutenicos deacutebiles no solo al aumentar la inclinacioacuten sino
tambieacuten a la presencia de un sismo lo cual se evidencia en el 187 con ru=00
y se evidencia en ru=05 con un porcentaje de 669
De tal manera se evidencia que a los 45deg de inclinacioacuten para el MH en un talud
de altura de 20 m y un CL con un talud de 10 m de altura se comportan de
manera similar comparaacutendolo con una diferencia del 08 de tal manera que a
pesar de sus diferencias dichos factores le generan inestabilidad a el talud Por
lo tanto para un aacutengulo de inclinacioacuten de 30deg y una altura 10 m su inferencia con
respecto al factor de seguridad es del 1 cumpliendo asiacute para los valores
descritos en la matriz de resultados con la NSR-10
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo sigue siendo CH como
en los casos anteriores ya que cumple con el 313 pero solo en taludes de 10
m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre
1242 y 146 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo ello indica que en cualquier caso se analiza que FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura aun en condiciones dinaacutemicas
98
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 31 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales que se analizan en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de
10 m de altura cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo y de agua en el
suelo afecta de manera directa al talud teniendo en cuenta que el factor de
reduccioacuten para un CH es de 505 en condiciones de 75ordm de inclinacioacuten
mientras que para MH es mayor pues es de 628 y para el CL de 504
De esta manera se observa que a los 60deg de inclinacioacuten para el MH y el CL en un
talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un factor de
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
99
reduccioacuten de 256 lo que indica inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta
para todos los materiales en un talud de 20 m de altura y en una altura de 10 m
para los CL
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo continuacutea siendo CH
como en los casos anteriores pero solo en un talud de 10 m de altura puesto que
frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre 1238 y
1454 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10 Sin embargo el
MH tambieacuten se comporta de manera adecuada hasta inclinaciones de 60deg puesto
que bajo estas condiciones presenta FS entre 1131 y 1307
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 32 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
100
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m
de altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 esto se
debe a que la presencia de sismo y de agua en el suelo afecta de manera directa
al talud siendo el factor de reduccioacuten para las arcillas cercano al 1 mientras que
para los limos da superior al 20
Es asiacute como se puede observar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para el MH y
el CL en un talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un
porcentaje igual de 447 lo que con lleva a que el comportamiento mecaacutenico del
suelo no es igual y genera inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta para
todos los materiales en un talud de 20 m de altura y el CL en una altura de 10 m
En condiciones dinaacutemicas el material con las mejores caracteriacutesticas se suelo es
el CH como en todos los casos mencionados anteriormente pero solo en un talud
de 10 m de altura puesto que frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra
estabilidad con FS entre 1233 y 1447 Sin embargo el MH tambieacuten se comporta
de manera adecuada hasta inclinaciones de 45deg puesto que bajo estas
condiciones presenta FS entre 1111 y 1139
Es asiacute como se concluye que FS es inversamente proporcional al aacutengulo de
inclinacioacuten a la altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica al ser comparado
entre los modelos con las diferentes condiciones de sismo
Es evidente la influencia que tiene la presencia de agua en los suelos expansivos
a continuacioacuten se presenta un anaacutelisis del comportamiento de los suelos ante la
variacioacuten del paraacutemetro ru para taludes con una altura de 10m con el fin de
analizar cuaacutel de estos materiales se ve maacutes afectado por dicho paraacutemetro
101
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 33 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad (FS) de manera
insignificante al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y 05 con
factores de reduccioacuten de 392 hasta 328 desde 30ordm de inclinacioacuten hasta 75ordm
respectivamente cumpliendo con el factor de seguridad descrito en la NSR-10
(15 en condicioacuten estaacutetica) A diferencia del limo inorgaacutenico de alta plasticidad
(MH) que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a medida que
aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS entre 2416 y 1937 Por otro lado la
arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH) disminuye FS de 2127 a 2105 a medida
que aumenta el paraacutemetro ru
A partir de lo mencionado es claro que el factor de seguridad es inversamente
proporcional al paraacutemetro ru puesto que a mayor presencia de agua en el suelo
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
000 020 040 060
FS
RU
30ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
102
menor factor de seguridad el cual se hace evidente en el cambio que se presenta
para los diferentes materiales que como ejemplo se cita del CH que para un
aacutengulo de 30ordm 10 metros de altura con ru=0 hasta 05 brinda un factor de
reduccioacuten del 1034
Se evidencia que el CH tiene un comportamiento constante frente al cambio del
factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas cumplen con respecto al valor
brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se establece
a 105 pues los valores del FS oscilan entre 1460 hasta 1447 que comparado
con el material de MH para un aacutengulo de 30ordm la diferencia estaacute en un 1306
mientras que para el CL es de 309
El CL el FS es de 0909 hasta 0906 donde el ru=00 y ru=05 teniendo
posibilidades altas de falla con respecto a los materiales CH y MH siendo
afectado cada uno de los suelos por la condicioacuten dinaacutemica que hace a los
materiales propensos para que ocurra fenoacutemenos por remocioacuten en masa
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 30deg y una altura de 10 m
todos los materiales son oacuteptimos siendo MH el mejor de ellos representado en
porcentajes de 1982 hasta el 3914 Mientras que en dinaacutemico el CL No
cumple en ninguacuten momento con los paraacutemetros establecidos por la norma sismo
resistente mientras que los otros materiales si hasta cierto aacutengulo de inclinacioacuten
como se especifica en el anexo 3 Modelacioacuten adecuada para taludes compuestos
por suelos expansivos
103
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 45deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 34 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad a medida que
aumenta el contenido de agua en el suelo al igual que el CH y MH
De tal manera que para el material CH los valores de ru=00 entre el 1 al 29
esto se debe a que la modificacioacuten que le pueda llegar a generar el agua al suelo
es miacutenima frente al resto de materiales pues en el MH da un valor del 30 Lo
cual indica que existe un paso raacutepido del agua por las partiacuteculas del suelo
generando asiacute que en condicioacuten estaacutetica para una inclinacioacuten de 45deg el CL no
cumpla con respecto al factor de seguridad de la norma NSR-10 mientras que
MH y CL si siendo CH el material maacutes oacuteptimo para estas condiciones de talud
Se infiere que al aumentar el aacutengulo a 45ordm el factor de seguridad disminuye
siendo dicho valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0500
1000
1500
2000
2500
000 020 040 060
FS
RU
45ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
104
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 se observa que para los
suelos CH y MH cumple para el aacutengulo de 45ordm mientras que para el suelo CL no
cumple con dicha condicioacuten cuando presenta un fenoacutemeno de sismo
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 60deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 35 se evidencia que CL describe un comportamiento constante que
disminuye FS en un 27 al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y
05 con FS entre 024 a 044 respectivamente incumpliendo la NSR-10 A
diferencia del MH que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
000 020 040 060
FS
RU
60ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
105
medida que aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS Por otro lado en el suelo
compuesto por CH disminuye en 14 a medida que aumenta la condicioacuten de
agua
Se observa que el CH presenta un comportamiento constante frente al cambio
del factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas que cumplen con respecto al
valor brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se
establece a 105
De tal manera que el comportamiento para el MH se evidencia que el FS es
inversamente proporcional al factor ru debido que al aumentar las condiciones de
ru en el talud el FS disminuye cumpliendo con el valor miacutenimo descrito en NSR
10 hasta un ru de 04
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 45deg y una altura de 10 m
solo el CH y MH cumplen con el factor siendo materiales oacuteptimos para el disentildeo
siendo CH el mejor de ellos en condicioacuten dinaacutemico el CL no cumple con el factor
de seguridad miacutenimo establecido mientras que el CH es un material oacuteptimo para
las diferentes condiciones establecidas el MH en cambio cumple con aacutengulos
menores a 72ordm con un ru=025 mientras que en condiciones totalmente
saturadas cumple para aacutengulos de inclinacioacuten menores a 59ordmcomo se evidencia
en el anexo 3modelacioacuten adecuada para taludes compuestos por suelos
expansivos
106
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 75deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
En la figura 36 se evidencia que para condiciones estaacuteticas el FS se cumple
para el material de CH mientras que para los otros materiales de MH y CL no
cumple con las condiciones debido a que se encuentra por debajo de lo
establecido que es de 15 con la altura de 10 m De esta manera se evidencia en
los tres materiales que el FS es inversamente proporcional al ru con cambios de
08 en el valor del ru=0 hasta un 15 para un CH mientras que para el MH
varia entre el 2488 hasta el 3734 y para un CL la variacioacuten es de 018 a
025 pues entre mayor es dicho coeficiente menor es el factor de seguridad
Siendo afectado igualmente por el aacutengulo de inclinacioacuten y la geometriacutea del talud
Es asiacute como se infiere que al aumentar el aacutengulo a 75ordm el factor de seguridad
disminuye siendo el valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
000 020 040 060
FS
RU
75ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
107
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 cuando se encuentra
amenazado por un factor de sismo se observa que para los suelos CH cumple
para el aacutengulo de 75ordm mientras que para el suelo MH cumple hasta condiciones
de ru= 01 lo que indica que para condiciones de ru= 025 04 y 05 no cumpliriacutea
con dicha condicioacuten es asiacute como se observa el CL no cumple las condiciones
miacutenimas para el factor de seguridad en condiciones dinaacutemicas
Al realizar los diferentes modelos con las condiciones descritas se observa que el
paraacutemetro geomecaacutenico que modifica el comportamiento de los suelos expansivos
presentes en un talud es la cohesioacuten por lo tanto se ejecuta sensibilizacioacuten del
paraacutemetro y se hace una anaacutelisis del comportamiento que presenta frente a
cambios de geometriacutea y paraacutemetro ru de donde se observa que de los valores
descritos en el anexo 4 Para un ru establecido con una altura y aacutengulos
seleccionados se debe tener una cohesioacuten mayor al valor presentado en la tabla
pues se tiene en cuenta que a partir de un factor de seguridad en condiciones
estaacuteticas 15 los valores de cohesioacuten deben estar por encima de dicho valor
mientras que en condiciones dinaacutemicas deben estar por encima del valor de 105
lo que indica que entre mayor sea el valor de cohesioacuten a los valores determinados
mayor seraacute la atraccioacuten y unioacuten de las partiacuteculas del suelo evitando asiacute que se
presente un proceso de remocioacuten en un talud aumentando respectivamente el
factor de seguridad
108
9 CONCLUSIONES
Se definieron los paraacutemetros geomecaacutenicos de los materiales que se analizan en
cada una de las modelaciones (arcillas y limos) a partir de la informacioacuten descrita
en los antecedentes del presente trabajo de grado Gracias al libro de Amer Ali Al-
Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soil En Effect of remolding
techniques on soil swelling and shear strength properties Londres Taylor amp
Francis e-Library 2006 a partir del cual se obtiene detalle sobre los
comportamientos de suelos expansivos en taludes de tal manera que se ejecutan
diferentes modelaciones en las que se tienen en cuenta cambios en la geometriacutea
con el fin de comparar los factores de seguridad a traveacutes de graacuteficas de las cuales
se concluyoacute
El factor de seguridad es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la
altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica de donde se observa
detalladamente la influencia de la altura en el disentildeo del talud en el cual se
identifica que para alturas de 20 m conformado por este tipo de suelos bajo esta
condiciones de modelacioacuten los factores de seguridad tanto en condiciones
dinaacutemicas como estaacuteticas estaacuten por debajo del valor descrito en la Norma Sismo
Resistente Colombiana tiacutetulo H tabla H69-1 en donde se especiacutefica que la
estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetica debe ser de 150
y para condicioacuten dinaacutemica 105 sin embargo para los taludes con alturas de 10 m
se identifica que los suelos compuestos por arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(MH) son materiales con excelentes comportamiento en condicioacuten estaacutetica y
dinaacutemica mientras que el limo inorgaacutenico de alta plasticidad es oacuteptimo en
condiciones criacuteticas con sismo y ru=05 para inclinaciones de 45deg o menores y
con sismo y ru=025 inclinaciones de 60deg o menores
109
La arcilla de alta plasticidad (CH) contiene una cohesioacuten mayor comparada a la
de la arcilla de baja plasticidad (CL) y al limo de alta plasticidad (MH) lo que
indica una mayor resistencia a la presencia de agua lo que genera mayor
estabilidad en el talud asiacute mismo el CH por presentar un valor de liacutemite liacutequido
mayor es susceptible al cambio de estado de plaacutestico a liacutequido contrario a lo que
sucede con el MH ya que su liacutemite plaacutestico es mayor al resto de los suelos debido
a esto es susceptible al cambio de estado de semi-soacutelido a plaacutestico De igual
manera para que la arcilla de alta plasticidad cambieacute de estado es necesario que
el suelo presente un mayor valor de ru=05 que en suelos expansivos este valor
es hasta 067
Para las modelaciones que se realizan en el presente proyecto se utiliza el
software Slidereg el cual resulta de faacutecil manejo con respecto al anaacutelisis del factor
de seguridad en diferentes condiciones de ru en estado dinaacutemico y sismo Asiacute
mismo el meacutetodo utilizado (Bishop simplificado) es un meacutetodo que a pesar de solo
satisfacer el equilibrio de momentos y no cumplir con la totalidad de las
ecuaciones de la estaacutetica presenta exactitud frente a los resultados que se
obtienen en comparacioacuten al meacutetodo ordinario El cual utiliza las dovelas en donde
se tiene en cuenta las fuerzas entre las mismas siendo el maacutes utilizado para
calcular el factor de seguridad de los taludes la uacutenica restriccioacuten que presenta es
que solo considera las superficies de falla circulares
Con respecto al aacutengulo de inclinacioacuten en un talud el mismo tiene una afectacioacuten
directa del factor de seguridad ya que a medida que la reconformacioacuten geomeacutetrica
del talud aumenta se genera una condicioacuten de inestabilidad directa con respecto
a la geometriacutea lo que se evidencia en las graacuteficas para un talud de 30ordm a 75ordm
respectivamente en un 28 en estado estaacutetico y un 16 en estado dinaacutemico para
un MH en estado estaacutetico es un factor de reduccioacuten de 59 mientras que en
dinaacutemico es del 42 y para CL es de 27 para dinaacutemico y estaacutetico
110
10 RECOMENDACIONES
Dentro de las recomendaciones se exponen las diversas limitaciones existentes en
cuanto a paraacutemetros geomecaacutenicos que se usan en las modelaciones y los
meacutetodos para observar el comportamiento mecaacutenico del suelo y el caacutelculo del
factor de seguridad
Para los paraacutemetros geomeacutetricos de los taludes modelados se recomienda el
disentildeo de taludes de 45deg a 60deg dependiendo del espacio del terreno ya que una
mayor inclinacioacuten implica mayores costos y el talud se hace susceptible a sufrir
procesos de remocioacuten en masa Asiacute mismo se recomiendan alturas de 10 m para
este tipo de suelos expansivos ya que mostraron mejores factores de seguridad
Cuando se tiene presencia de limos de alta plasticidad se hace necesario tener
inclinaciones en los taludes menores a 67ordm con alturas de 10m y Ru=0 mientras
que para un Ru=025 se recomienda hacer el disentildeo de un talud con una
inclinacioacuten menor a 51ordm y en estado dinaacutemico con una inclinacioacuten menor a 72ordm y
con un Ru=05 menor a 59ordm con el fin de que cumpla con los criterios descritos en
la Norma Sismo Resistente Colombiana titulo H
Para obtener el disentildeo de un talud en el presente proyecto de grado se
recomienda tener precisioacuten en el suelo sobre el cual se vaya a disentildear debido a
que se presenta los paraacutemetros geomecaacutenicos para resultados de factores de
seguridad que dependen por completo de la definicioacuten de los mismos y al
variarlos no se comportaraacuten de la manera en que se analizoacute en el presente trabajo
de grado Esto se comprueba durante la modelacioacuten realizada debido a que se
generan diferentes modelos con diferentes paraacutemetros geomecaacutenicos no
mencionados en el presente trabajo pero si tenidos en cuenta para la seleccioacuten
de los mismos
111
En la modelacioacuten de taludes del proyecto se utilizoacute el meacutetodo de Bishop
Simplificado para la modelacioacuten en el software Slidereg de tal manera que la
modelacioacuten queda abierta a la utilizacioacuten de los diversos meacutetodos existentes
112
11 BIBLIOGRAFIacuteA
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114
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1
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDAD
Fuente propia
ANGULO
(ordm) H(m) RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05
10 136 80 08 212 309 304 377 374 136 79 07 213 392 244 382 204 392 244 382 205 309 304 377 374
20 525 178 17 202 290 273 281 270 525 143 452 52 535 364 505 306 534 364 505 306 290 273 281 270
10 08 178 17 201 308 304 372 368 08 178 17 202 313 154 361 207 313 154 361 208 308 304 372 368
20 236 90 310 57 316 308 312 303 236 89 310 57 440 239 475 260 447 240 475 260 316 308 312 303
10 86 266 72 240 308 305 355 352 86 266 72 240 243 54 305 147 244 54 305 147 308 306 355 352
20 55 253 176 173 350 343 291 282 55 254 176 174 384 119 397 131 384 119 397 131 349 343 291 282
10 156 361 109 304 309 305 331 327 156 361 19 34 182 88 249 33 182 88 249 33 309 305 331 327
20 23 367 104 298 312 303 313 304 23 368 104 298 328 101 378 10 328 101 378 10 312 304 314 305
ANGULO
(ordm) H(m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICOESTAacuteTICO DINAgraveMICO RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 10 09 1982 2250 020 033 313 313 413 412 380 381
20 29 20 1333 2900 191 061 338 332 369 385 329 329
10 08 09 1908 1940 022 022 295 295 312 316 359 324
20 17 19 2760 2940 043 064 328 340 288 363 360 325
10 07 07 2025 1860 024 023 257 257 245 200 306 306
20 14 17 3026 3093 032 044 323 325 245 252 262 262
10 08 07 2488 2249 018 010 198 200 152 124 223 222
20 15 15 3914 3734 037 025 246 246 187 163 248 24775
45
60
462
475
472
516505
546
578
633
503
502
503
504
ALTURA DE 10 metros A 20 metros
460
473
526
535
527
551
574
628
CH MH CL
528
502
478
521
CH MH CL
DE ESTAacuteTICO A DINAacuteMICO
RU=00 A RU=05
CL
ESTATICO DINAMICO
RU=00 A RU=05 RU=00 A RU=05
CL
MH CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
CAMBIO DE RU
MH
30
MH
CH CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTATICO DINAMICO
30
45
60
75
CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
MH CL
ESTATICO DINAMICO
116
2
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA GEOMETRIacuteA
Fuente propia
H (m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 28 16 59 42 27 27
20 26 16 69 59 9 18
CH MH CL
CON INCLINACIONES DE 30ordm A 75ordm
117
3
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
Fuente propia
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
NO CUMPLE
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X lt669ordm X lt59ordm X lt51ordm X X X X X X X lt72ordm X lt59ordm
NO CUMPLE gt67ordm gt60ordm X gt52ordm X gt73ordm gt60ordm X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
10 CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
10
20
RU=00 RU=025 RU=05RU=00 RU=025 RU=05
20
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
10
20
CL
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
118
4
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOS
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 325 352 39 45 33 36 39 46 36 38 43 50 34 36 395 465 335 36 40 465
MH C(Knm2) 15 235 31 42 23 32 39 44 20 27 36 475 23 30 38 51 223 31 40 52
CL C(Knm2) 39 42 49 58 36 39 42 50 33 35 39 45 36 385 425 495 359 389 43 495
DINAacuteM
ICA
RU RU RU RU RU
ESTAacuteTI
CARU RU RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
RU
0 01 025 04 05
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 34 353 36 392 34 35 36 391 34 352 37 40 34 353 37 40 34 353 37 40
MH C(Knm2) 0 0 0 328 0 0 30 347 0 0 32 375 0 31 348 408 30 33 36 425
CL C(Knm2) 404 42 424 443 404 42 425 442 40 418 42 442 405 42 424 442 408 419 42 442
DINAacuteM
ICA
RU RU
04 05
RU
025
ANGULOS (ordm)ANGULOS (ordm)
0
RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
01
ANGULOS (ordm)
119
11
produzcan cambios en el contenido de agua esta se integra con la estructura
laminar de la arcilla y si estaacute confinado presentara una elevacioacuten en las presiones
internas del material
Factor de seguridad es empleado para comprender cuaacutel es el factor de que el
talud falle en las peores condiciones de comportamiento Fellenius (1927)
presentoacute el factor de seguridad como la relacioacuten entre la resistencia al corte real
calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte criacuteticos que tratan de
producir la falla a lo largo de una superficie supuesta
Friccioacuten es la resistencia al deslizamiento causado por la friccioacuten existente entre
las superficies de contacto de las partiacuteculas y su densidad de tal manera que es el
aacutengulo cuya tangente es la relacioacuten entre la fuerza que resiste el deslizamiento a
lo largo de un plano y fuerza normal aplicada a este plano
Geomecaacutenico implica el estudio geoloacutegico del comportamiento del suelo y las
rocas
Grietas de contraccioacuten fisuras relativamente anchas respecto a la longitud que
se abren cuando se contrae el suelo o una roca Su formacioacuten constituye un
fenoacutemeno caracteriacutestico de los suelos arcillosos que al descascararse forman una
red poligonal de las grietas de retraccioacuten
Grietas en cuntildea son verticales y son producidas en regiones friacuteas que se
encuentran formadas tras la congelacioacuten raacutepida del suelo
Hinchamiento separacioacuten de las laacuteminas que componen las arcillas por la
absorcioacuten de agua en el espacio inter-laminar
12
Iacutendice de plasticidad diferencia numeacuterica entre el Limite Liquido y el Limite
Plaacutestico Define el campo plaacutestico de un suelo y representa el porcentaje de
humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plaacutestico
Inestabilidad desequilibrio fluctuacioacuten e inconsistencia de un terreno cuando es
afectado por agentes externos
Limite liacutequido es el contenido de agua expresado en porcentaje respecto al
peso del suelo seco que delimita la transicioacuten entre el estado liacutequido y plaacutestico de
un suelo remoldeado o amasado
Liacutemite de contraccioacuten contenido de humedad por debajo del cual se produce
una reduccioacuten adicional de volumen o contraccioacuten en el suelo
Ladera declive lateral de un terreno cuya pendiente se conforma a traveacutes del
aacutengulo que se formoacute con la horizontal
Sensitividad proporcioacuten de la resistencia a compresioacuten simple en estado
inalterado entre la del estado remoldeado
Sensibilidad de paraacutemetros geoteacutecnicos es el anaacutelisis del comportamiento de
las propiedades que influyen en la estabilidad de taludes
Suelo parte superficial de la corteza terrestre bioloacutegicamente activa que proviene
de la desintegracioacuten o alteracioacuten fiacutesica
Suelos colapsables son los suelos que presentan un cambio de relacioacuten entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia uacuteltima
del material A este grupo pertenecen las arcillas cementadas los limos y rocas
13
de gran porosidad
Suelo expansivo es un tipo de suelo capaz de producir un aumento de volumen
en relacioacuten con los cambios de humedad que puedan llegar a presentarse Dichos
materiales tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla
debido a su estructura
Suelos desmoronables suelos en los que sin la presencia o cambio de
condiciones son capaces de producir colapso donde no existe un cambio abrupto
en relacioacuten presioacuten-deformacioacuten La saturacioacuten produce un cambio volumeacutetrico
debido al incremento de presioacuten de poros que origina la resistencia al corte del
suelo
Talud porcioacuten de tierra elevada de dimensiones variables generalmente
rematando por una cuneta y caracterizado por una vegetacioacuten especiacutefica Dicho
elemento es construido con el tiempo pero tambieacuten puede ser producto de la
ejecucioacuten realizada con una construccioacuten artificial con tierra o piedra de tal
manera que es conformada con cualquier superficie inclinada respecto a la
horizontal
Terreno porcioacuten de espacio generalmente plano de tierra en el cual no se tiene
nada construido de tal manera que se trata de un aacuterea en la que no existe un
edificio o algo que cubra la superficie del mismo
14
INTRODUCCIOacuteN
Uno de los problemas caracteriacutesticos de la ingenieriacutea civil es la estabilidad de
taludes ya que los suelos presentan comportamientos dependiendo de la
estructura que lo componen y de los factores tanto extriacutensecos como intriacutensecos
generando movimiento de tierras que pueden terminar siendo generadores de
procesos de remocioacuten en masa como deslizamientos debidos a fallas rotacionales
o traslacionales o caiacutedas de rocas y detritos generando afectaciones socio-
econoacutemicas a la regioacuten Por ello es importante abordar temas como la estabilidad
de taludes en suelos expansivos como lo son la arcilla de alta plasticidad (CH)
arcilla de baja plasticidad (CL) y limo de alta plasticidad (MH) con el fin de
identificar el comportamientos de dichos suelos ante variables geomeacutetricas de
nivel freaacutetico y sismo A partir de las propiedades geomecaacutenicas de los suelos
expansivos en estudio se modelan los taludes de los diferentes perfiles
estratigraacuteficos con la correspondiente asignacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos
por medio del software Slide reg en el que al variar las condiciones de sismo y
contenido de agua se analiza la influencia que tienen en el factor de seguridad del
talud
La escasez de informacioacuten en el tema del comportamiento de suelos expansivos
genera la importancia necesaria para estudiar y analizar el tema a profundidad
creando herramientas dirigidas a ingenieros civiles tanto en campo como en
oficina para disentildeos oacuteptimos de taludes
15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El territorio colombiano presenta variedad de suelos expansivos por su
complejidad en el comportamiento mecaacutenico se hace necesario conocer la
inestabilidad que pueden presentar principalmente este tipo de suelos1 Es asiacute
como en varias zonas de Colombia se evidencian climas friacuteos-secos lo que
ocasiona una condicioacuten de sequedad que hace que algunos tramos en los taludes
presenten caracteriacutesticas de suelos expansivos2 que se caracterizan por tener
liacutemites miacutenimos y maacuteximos de contenido de humedad entre los cuales se
presenta la expansioacuten y contraccioacuten
De esta manera se identifica que los suelos compuestos por arcillas y limos que
son capaces de retener gran cantidad de agua debido a su estructura este
proceso induce a movimientos que generan grietas y asentamientos del terreno
afectando directamente el comportamiento del suelo problema que se acusa con
los cambios estacionales debido a los ciclos de humedecimiento-secado asiacute
como la ascensioacuten de nivel freaacutetico3 de tal manera que esto presenta un riesgo
para los usuarios de las viacuteas que presentan esta tipologiacutea de material Otra de las
amenazas se identifica cuando ocurre un sismo debido a que estos suelos
tienden a transmitir las ondas del sismo con rapidez y amplitud lo que llega a
generar colapso del talud4
1 MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos
ambientalespg371 2 LEOacuteN SICARD Tomas Enrique Estado del Recurso del Suelo [en liacutenea]
lthttpwwwunperiodicounaleducodperarticleagroquimicos-envenenan-suelos-en-colombiahtmlgt [Citado en 9 de noviembre de 2013] 3ASEFA Patologiacuteas por arcillas expansivas Naturaleza y comportamiento [en liacutenea]
lthttpwwwconcretonlinecomindexphpoption=com_contentampid=3179ampItemid=27gt [citado en 5 agosto del 2015]
4CINNA LOMNITZ Las causas probables de la cataacutestrofe siacutesmica del 19 de septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica
UNAM Ciencia y desarrollo septiembreoctubre 1988 Vol XIV Nuacutem 82 CONACYT
16
Es asiacute como en varios lugares se han reportado movimientos en masa como
deslizamientos y fallas rotacionales en los cortes realizados en laderas debido a
la inestabilidad generada por los materiales de los que se encuentran compuestos
los suelos5
Debido a lo anterior se requiere hacer un estudio a los suelos expansivos los
cuales se identifican mineraloacutegicamente con la determinacioacuten de propiedades
baacutesicas tambieacuten a traveacutes de meacutetodos indirectos del potencial expansivo y
medidas directas de la expansioacuten esto con el fin de observar las caracteriacutesticas
geomecaacutenicas en la ejecucioacuten de taludes seguacuten los factores baacutesicos miacutenimos
descritos en la norma sismo resistente (NSR-10) Titulo H241
Es importante conocer iquestCuaacutel es el comportamiento de los paraacutemetros
geomecaacutenicos de taludes compuestos por suelos expansivos ante variables de
nivel freaacutetico geomeacutetria y sismo
5SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47 regionales [en liacutenea]
lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
17
2 ANTECEDENTES
Uno de los temas de mayor intereacutes en la Ingenieriacutea Civil es la estabilidad del
suelo debido a sus inesperados y diferentes comportamientos para los cuales se
hace necesario el estudio y anaacutelisis taludes con el fin de lograr estabilidad y
factores de seguridad oacuteptimos cuando se encuentran compuestos por suelos
expansivos
Se han presentado diferentes casos en donde se vuelve indispensable realizar
una caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes para el anaacutelisis de la vulnerabilidad
que tiene un sitio referente a un talud en donde se cuenta con aspectos que
definen la amenaza asociada valores encontrados para la vulnerabilidad fiacutesica6
metodologiacutea para la cual se determina el riesgo asociado a dicha vulnerabilidad
En torno a este tema en particular la mayoriacutea de las investigaciones trabajan de
forma aislada la amenaza la vulnerabilidad y no evaluacutean en forma precisa el
riesgo por la accioacuten de procesos de remocioacuten en masa que desestabilizan los
taludes con base en el esquema de la caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes es
posible desarrollar una metodologiacutea que evaluacutee el riesgo asociado a inundaciones
sismos vientos o realizar una metodologiacutea integral que involucre todas esas
variables7
En Colombia se presentan casos diversos de falla en viacuteas un ejemplo es la falla
que ocurrioacute en la viacutea Manizales ndash Mariquita Tramo 5006 Debido a la inadecuada
entrega de la alcantarilla presente en ese sitio esto produjo socavacioacuten en el talud
inferior de la viacutea quitaacutendole el soporte al muro ocasionando su volcamiento Ello
6 HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y vulnerabilidad Fiacutesica por taludes y laderas inestables
en la micro Cuenca de la quebrada Cay Ibagueacute Universidad del Tolima Departamento del Tolima Maestriacutea en
planificacioacuten y manejo ambiental de cuencas 2013 pg 119
7 ibiacuted p 119
18
acelero la rotura de un acueducto veredal que satura el relleno causando paso
restringido de vehiacuteculos a un solo carril8 El objetivo de este estudio fue identificar
las diferentes formas de estabilizacioacuten y plantear la solucioacuten definitiva
correspondiente a un sistema de estructura que consta de pilotes metaacutelicos
generando estabilizacioacuten del talud
La Universidad Nacional incluye en un estudio realizado como parte de la
caracterizacioacuten fiacutesica algunas teacutecnicas para el anaacutelisis de la composicioacuten
mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y propiedades
iacutendice en las arcillas de Barranquilla En donde se tomoacute como base el cambio
volumeacutetrico descrito en la mayoriacutea de investigaciones y como aporte al
conocimiento del comportamiento expansivo de las arcillas del distrito de
Barranquilla (Colombia) con desarrollo de un programa experimental orientado a
caracterizar sus propiedades fiacutesicas micro-estructurales y de comportamiento
geoteacutecnico en muestras naturales inalteradas La caracterizacioacuten fiacutesica incluye
composicioacuten mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y
propiedades iacutendice la microestructura de muestras naturales se analiza
cualitativamente usando teacutecnicas microscoacutepicas (oacuteptica y electroacutenica de barrido) y
deducciones indirectas a partir de curvas de retencioacuten de agua (CRA) por uacuteltimo
el comportamiento geomecaacutenico se enfoca en el estudio del cambio volumeacutetrico
en condiciones de humedecimiento - saturacioacuten y procesos de carga ndash descarga9
Alliacute se concluyoacute que el potencial de expansioacuten colapso bajo carga no depende
exclusivamente de la carga vertical aplicada antes de la saturacioacuten sino de las
condiciones de faacutebrica y succioacuten inicial del material esto difiere en lo que se
encuentra en estudios realizados en la zona10
8 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de
Campoalegre ndash Ciudad de Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
9 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
10 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
19
Se han desarrollado variedad de estudios sobre el comportamiento de suelos
expansivos como ejemplo el libro Expansive Soils editado por Amer Ali Al-Rawas
ampMattheus FA Goosen en el cual se describen avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento de suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar inconvenientes causados por la presencia de
los mismos en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada por la
expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten que presentan
debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel freaacutetico Se analizoacute el efecto
de las teacutecnicas de remoldeo en el hinchamiento de suelos y las propiedades de las
fuerzas de cizallamiento que se presentan en los resultados de los efectos de
meacutetodos sobre la presioacuten por oleaje en el suelo resistencia a la compresioacuten
inconfinada Para lo cual se tomaron tres tipos de suelos CH CL y ML con
muestras inalteradas que fueron seleccionadas en la zona norte de Jordania con
una amplia gama de contenido de arcilla
Las propiedades fiacutesicas de estos suelos incluyendo la gradacioacuten el liacutemite plaacutestico
y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco maacuteximo y el
contenido oacuteptimo de agua se obtienen a traveacutes de las especificaciones con las
que cuentan las normas ASTM Las muestras de suelos perturbados y no
perturbados se obtuvieron de los lugares descritos en el paacuterrafo anterior y fueron
probadas en el laboratorio de mecaacutenica de suelos en Jordan Universidad de
Ciencia y Tecnologiacutea Los especiacutemenes remoldeados estaban preparados para la
compresioacuten inconfinada y los ensayos de hinchazoacuten utilizando tres teacutecnicas de
remoldeo dinaacutemicas estaacuteticas y amasado Esto con el fin de lograr un estudio en
el potencial de hinchamiento de ese tipo de suelos ante los diferentes ensayos La
evaluacioacuten de la presioacuten debida a la hinchazoacuten la inflamacioacuten potencial y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada se vio afectada por el meacutetodo de
remodelacioacuten
20
Por lo tanto de este ensayo se concluyoacute que las muestras inalteradas obtienen
valores altos de presioacuten de hinchamiento la remodelacioacuten dinaacutemica tuvo los
valores maacutes altos de la hinchazoacuten y la compresioacuten inconfinada seguido por la
fuerza estaacutetica y el remoldeo por amasado respectivamente de esta manera se
observa que el contenido inicial de agua afecta tanto a la presioacuten de la hinchazoacuten
como a la resistencia a la compresioacuten inconfinada
De esta manera se encuentra el desarrollo de otro estudio ejecutado en el libro de
Expansive Soils en donde se describe una serie completa de pruebas referidas a
la compresioacuten no confinada (UC) no consolidado no drenado (UU) triaxiales y
columna resonante (RC) se realizaron sobre muestras estabilizadas
quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del sureste de Arlington Texas
despueacutes de haber sido sometido a ciclos (WD) repetidos de humectacioacuten-secado
inducido artificialmente en el laboratorio los cuales arrojaron unos resultados que
se utilizaron para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo plazo la
rigidez el efecto de hincharse y su continua contraccioacuten brindoacute respuesta del
suelo tratado incluyendo resistencia a la compresioacuten no confinada sin olvidar
resistencia al corte moacutedulo de corte dinaacutemico y material de amortiguacioacuten Se
utilizoacute meacutetodos de estabilizacioacuten que incluyen sulfato resistente cemento Tipo V
baja en calcio clase F mosca ceniza cal viva mezclaacutendolas con fibras de
polipropileno Muestras de suelo que se trataron y fueron curadas durante 7 diacuteas y
despueacutes se sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la UC UU y RC
la prueba Un ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua
potable en la sala de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a
140 F Encargoacute caacutemaras wd que permiten el monitoreo de 1-D al hincharse y
encogerse siendo esta la respuesta durante wd repetido Una dosis -por peso del
10 de cemento Tipo V el cual brinda mejor rendimiento general bajo realizado
con el ensayo de la resistencia al corte sin drenaje En donde se halloacute que Las
cenizas presentan malos resultados en comparacioacuten a todos los estabilizadores
21
con una simultaacutenea disminucioacuten de la c y bajo continuo w - d Aunque los valores
de fibras de cal suelo tratado tienden a aumentar con wd repetido Sin embargo
todos los suelos tratados superaron suelo natural despueacutes de 32 ciclos wd con el
tipo del 10 V suelo con cemento tratado mostrando un mejor rendimiento c-
De tal manera que la presencia de agua en este tipo de suelos los hace menos
resistencia a el ensayo de compresioacuten a fuerzas cortantes o de cizallamiento
debido a que alteran su estructura interna generando comportamientos
inadecuados para el cuerpo ingenieril debido a que se veraacuten afectadas las
construcciones realizadas sobre los mismos de esta manera seraacute necesario hacer
un tratamiento de estabilizacioacuten para proveer caracteriacutesticas mecaacutenicas
apropiadas de los suelos expansivos 11
11
Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos
y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
22
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos
por suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos
23
4 JUSTIFICACIOacuteN
Los suelos expansivos presentan algunas propiedades que pueden llegar a
generar variaciones en el comportamiento del suelo como los cambios
volumeacutetricos en presencia o ausencia de agua produciendo expansioacuten y
contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad portante y resistencia al corte
cuando se incrementa el contenido de agua
Al realizar cortes en laderas se presenta un cambio en la condicioacuten de resistencia
inicial del material lo que genera inestabilidad y un inminente riesgo el
comportamiento del suelo se analiza a traveacutes de la sensibilizacioacuten de paraacutemetros
que conduce a la mejora del factor de seguridad con respecto al disentildeo debido a
esto se llevoacute a cabo una comparacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes
los cuales brindaron soluciones oacuteptimas para el disentildeo de los mismos en suelos
expansivos
Es importante realizar el estudio de suelos expansivos y su comportamiento en
taludes ya que este tipo de suelos generan desplazamientos de materiales
Debido a que los suelos se hidratan y se hinchan estas condiciones se presentan
naturalmente tanto en eacutepocas de lluvia y en eacutepocas de sequia
Los riesgos que presenta en un proceso de estos son
Asentamientos en muros y cimientos
Deformacioacuten en los pavimentos y aceras
Movimientos de laderas
Roturas de cantildeerias y drenajes
Aparicioacuten de cavidades por disolucioacuten de sales
24
La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento de paraacutemetros
geomecaacutenicos en taludes ante variables de afectacioacuten para lo cual se realizan
aacutebacos que permitan identificar la manera en la que se ven afectados dichos
taludes y asiacute predecir su comportamiento por medio de programas de modelacioacuten
para el disentildeo de taludes con el fin de encontrar el factor de seguridad de disentildeo
y obtener las condiciones necesarias para la construccioacuten del mismo pensando en
el beneficio de la poblacioacuten
25
5 MARCO REFERENCIAL
El trabajo estaacute basado en la presentacioacuten de anaacutelisis sobre el comportamiento de
suelos expansivos en taludes con el fin de observar la inestabilidad del terreno el
cual se manifiesta mediante desplazamientos implicando ruina total o parcial de
sitios aledantildeos en donde se presenta este tipo de procesos de remocioacuten en masa
Este anaacutelisis conduce a un estudio referente a propiedades de los suelos que son
importantes las cuales generan cambios volumeacutetricos en presencia o ausencia de
agua produciendo expansioacuten y contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad
portante y resistencia al corte cuando se incrementa el contenido de agua
Es necesario tener presente conceptos como la composicioacuten y comportamiento
mecaacutenico de suelos expansivos que componen taludes asiacute mismo la afectacioacuten
que pueden generar estos suelos cuando son intervenidos por sismo y lluvia
Para el desarrollo de lo anterior se llevaraacute a cabo la presentacioacuten de los conceptos
tales como arcillas expansivas deslizamientos procesos de remocioacuten en masa
sensibilidad de paraacutemetros y anaacutelisis determiniacutestico
51 MARCO CONCEPTUAL
En el marco conceptual se establecen conceptos relacionados con la
investigacioacuten sobre la presencia de suelos expansivos como arcillas de baja alta
plasticidad y limos de alta plasticidad en taludes debido a que estaacute clase de
suelos tienen caracteriacutesticas de respuestas y comportamientos de expansioacuten y
contraccioacuten asociadas al humedecimiento y secado Por lo tanto la descripcioacuten
de estos comportamientos requiere el uso de un marco conceptual que incorpore
aspectos de anaacutelisis determiniacutesticos y meacutetodos de anaacutelisis con respecto al
comportamiento geomecaacutenico
26
Suelos Expansivos 511
Material susceptible que genera cambios de volumen los cuales se encuentran
directamente relacionados con cambios de humedad o variacioacuten con respecto al
contenido de agua La estructura del material retiene grandes cantidades de agua
lo que puede producir un aumento de volumen notorio12
El contenido de humedades un factor importante cuando se habla de la expansioacuten
de un suelo esto se presenta solo en los suelos expansivos como se observa en
la figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander cuando existen
variaciones climaacuteticas que influyen directamente en el comportamiento
generando grietas en el suelo13
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander
Fuente httpgooglaVWI0V
12
INGSPATRONE J amp PREFUMO JE La accioacuten de los suelos expansivos sobre las cimentaciones meacutetodos de
prevencioacuten y control Paacuteg 1-16[en
linea]lthttpwwwumeduuy_upload_descargaweb_descarga_204_AccindesuelosexpansivosAntildeo 2004gt[citado en 5 de
agosto del 2015]
13 Ibidp12
27
5111 Identificacioacuten de suelos expansivos
Los suelos expansivos se identifican de manera visual por varias caracteriacutesticas
tienen alta plasticidad si se observan en el terreno se encontraraacuten grietas
ocasionadas por la expansioacuten y contraccioacuten constante que sufre dicha superficie
esto se presenta cuando hay variacioacuten de humedad14
La identificacioacuten mineraloacutegica es una de las principales formas por las cuales se
ubican los suelos expansivos debido a que los meacutetodos maacutes recomendados son
difraccioacuten de rayos x anaacutelisis teacutermico diferencial anaacutelisis quiacutemico absorcioacuten de
tinte y la microscoacutepica electroacutenica Las cuales consisten en detectar la presencia
de minerales arcillosos que resultan expansivos15
5112 Ensayos de identificacioacuten de suelos expansivos
Es necesario ejecutar una valoracioacuten frente al comportamiento que puede llegar a
presentar un suelo con presencia de arcillas y limos cuando es sometido a
diferentes situaciones donde se ve alterada su composicioacuten de tal manera que
los diferentes ensayos permiten hacer un acercamiento de lo que sucede en la
realidad y especialmente en casos donde el suelo presenta humedad La tipologiacutea
y descripcioacuten de este tipo de ensayos se presenta en la tabla 1 Ensayos y
laboratorios en suelos descrita a continuacioacuten
14
INGSPATRONE Jamp PREFUMO JE Opcit1-16
15Ibid p1-16
28
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos
ENSAYOS Y LABORATORIOS
DESCRIPCIOgraveN
Hinchamiento Libre
Se humecta el suelo permitiendo una expansioacuten vertical
de una probeta por lo que el confinamiento lateral impide
la deformacioacuten lateral se realiza sobre muestras
inalteradas saturadas
Determinacioacuten de la presioacuten maacutexima del
hinchamiento
Impide la expansioacuten vertical al aplicar tensioacuten vertical
necesaria que compensa dicho hinchamiento se realiza
sobre muestras inalteradas Y saturadas
Ensayo de Lambe
Consiste en la preparacioacuten de una probeta de suelo que
se compacta en condiciones estandarizadas de humedad
inicial de tal manera que se impide una expansioacuten lateral
confinaacutendola en un anillo Una vez producida la
inundacioacuten de la ceacutelula se determina la tensioacuten maacutexima
de tensioacuten mediante un anillo dinamomeacutetrico con el
bastidor quienes se encargan de ejercer la reaccioacuten ante
la fuerza de expansioacuten que manifiesta la muestra al
hinchar El valor de esta tensioacuten maacutexima de hinchamiento
permite una clasificacioacuten cualitativa del material en
funcioacuten de ciertos grados de expansividad
Ensayo de volumen de sedimentacioacuten
Este criterio fue dado por Holtz y Gibbs el cual se utilizaba
para averiguar el potencial de hinchamiento de un suelo
consiste en depositar 10 cm3 de suelo seco que pase por
el tamiz Nordm40 en un cilindro graduado con 100 cm3 de
agua y se observa el aumento del volumen de la muestra
una vez sedimentada debido al hinchamiento dio
resultado se expresa en porcentaje de aumento de
volumen respecto al volumen inicial del suelo
Liacutemite Liacutequido
Es el contenido de humedad para el cual el suelo pasa
de un estado liacutequido a plaacutestico el ensayo que permite
determinar el liacutemite liquido consiste en colocar diferentes
muestras de suelo con humedad variable en un
recipiente o taza metaacutelica accionada por medio de una
manivela que se encarga de levantarla y dejarla caer
29
Fuente compilacioacuten propia tomado de Ensayos sobre suelos expansivos[en
liacutenea]lthttpwwwestudiosgeotecnicosinfoindexphpensayos-laboratorio-suelos-expansivosgt [citado en 5 de agosto del
2015]
Liacutemite liacutequido
repetidas veces Antes de inicia el ensayo se realiza una
ranura de diferentes dimensiones con una espaacutetula
contando el nuacutemero de golpes con el fin de que la ranura
quede frac12 pulgada cerrada Dichos datos se grafican y
cuando la curva obtenida corta la liacutenea correspondiente a
los 25 golpes se considera este valor como el limite
liquido del suelo
Liacutemite Plaacutestico
Es el contenido de humedad para el cual se cambia del
estado plaacutestico al semisoacutelido de tal manera que en el
estado plaacutestico el suelo es semi moldeable mientras que
en el semisoacutelido se agrieta amoldaacutendose El limite plaacutestico
queda definido cuando el suelo contiene justo la humedad
necesaria para que al amasar manualmente bastoncitos
de 03 cm estos no se agrieten y se rompan
Liacutemite de Retraccioacuten
Este liacutemite queda determinado por la miacutenima cantidad de
agua necesaria para llenar los poros de una muestra de
suelo seco a este liacutemite corresponde el menor volumen de
la masa del suelo determinado por la frontera entre el
estado soacutelido y semisoacutelido En las arcillas este liacutemite
alcanza el 5 y el 10 lo que indica que la capacidad
portante se incrementa a medida que disminuye el
porcentaje de humedad
Ensayo de Triaxial
A traveacutes de esta prueba se identifican las propiedades
de tensioacuten- deformacioacuten del suelo en este ensayo una
muestra de suelo ciliacutendrica normalmente con una
relacioacuten de altura-diaacutemetro se somete a dos
incrementos de tensioacuten axial y radial dicha muestra se
encuentra protegida con una membrana y las tensiones
radiales son impuestas por una presioacuten de confinamiento
en todas sus caras Los esfuerzos axiales son impuestos
por un vaacutestago que penetra la caacutemara de confinamiento
hasta que se produce la rotura
30
De esta manera se hace necesario identificar los tipos de deslizamientos que se
presentan en taludes los cuales generan un proceso de remocioacuten en masa
afectando de manera directa la poblacioacuten a niveles sociales econoacutemicos entre
otros identificados en la tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Fuente Compilacioacuten propia del libro de Suarez Jaime Diacuteaz Deslizamientos y estabilidad de taludes
31
ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL
BLANDO
ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES
TIPO IMAGEN
MATERIAL HOMOGENEO
MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
Seguacuten la composicioacuten y estructura del talud se produce un tipo deslizamiento esto
puede observarse en la tabla 3Efectos de la estructura en la formacioacuten de
deslizamientos de rotacioacuten donde se describe el efecto del deslizamiento
causado seguacuten la estructura del talud
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten
32
Por lo tanto Los paraacutemetros geomecaacutenicos son elementos necesarios que ayudan
a la comprensioacuten del anaacutelisis con respecto al comportamiento del suelo en el
presente trabajo se hace el estudio de los paraacutemetros descritos en la tabla 4
Paraacutemetros geomecaacutenicos
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Conociendo los paraacutemetros geomecaacutenicos que componen cada uno de los suelos
se identifica el concepto de remocioacuten en masa el cual es el desplazamiento de
grandes voluacutemenes de material superficial descrito de manera detallada en la
tabla 5Procesos de remocioacuten en masa
PARAacuteMETRO CONCEPTO ECUACIONES DESCRIPCIOacuteN
DENSIDAD
Relacioacuten entre la unidad de peso y la unidad de
voluacutemen de la fase soacutelida del suelo siendo maacutes o
menos constante ya que estaacute determinado por la
composicioacuten quiacutemica y mineraloacutegica de la fase
soacutelida
ρ=mV
ρ= densidad
m= masa
V= volumen
PESO ESPEacuteCIFICO
Se definen peso especiacutefico relativo a la relacioacuten entre
el peso especiacutefico de una sustancia y el peso
especiacutefico del agua destilada a 4 grados centigrados
sujeta a una atmoacutesfera de presioacuten
Pc=pV
Pc= Peso especigravefico
P=Peso
V= volumen
CARACTERISTICAS
ESTRUCTURALES
Se refiere a la orientacioacuten de las discontinuidades
tamantildeo y forma de rocas espaciado grado de
fracturacioacuten del macizo rocoso aacutengulo de inclinacioacuten
No aplica
EFECTO DEL AGUA
La estabilidad del talud y resistencia al cizallamiento
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos
33
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa
Fuente Ajustado de httpjulsgeoambientaljimdocomportafolioremocioacuten en masa
Es asiacute como el subsuelo o sustrato es la capa de suelo debajo de la capa
superficial de la tierra El cual incluye sustancias como arcilla yo arena que soacutelo
han sido parcialmente desglosadas por aire luz solar agua viento etc para
producir suelo verdadero Debajo del subsuelo estaacute el sustrato que puede
ser rocoso de sedimentos o depoacutesitos eoacutelicos en gran medida afectados por
factores formadores de suelo activo en el subsuelo El subsuelo contiene
LITOLOacuteGICOS ESTRUCTURALES TOPOGRAacuteFICOS ANTROacutePICOS TECTOacuteNICOS CLIMAacuteTICOS
El material superficial
se encuentra suelto y
puede ser removido
con facilidad en una
ladera por efecto de la
presioacuten de una
cantidad de agua
necesariamente si
bajo este material
superficial existe roca
consolidada e
impermeable
En el relieve se
presentan grietas o
diaclasas juntas que
por efecto de la
meteorizacioacuten fiacutesica
quiacutemica o bioloacutegica
provocan el
desmenuzamiento o
descomposicioacuten de
las rocas
Existen laderas de
montantildeas de colinas
con pendiente
abruptas o de terrenos
muy inclinados
En aacutereas con
pendientes
fuertemente taladas
(deforestadas) por el
hombre el material
superficial queda
expuesto a la
intemperie
Las ondas siacutesmicas
provocan el
desplazamientode
materiales
superficiales o de
unidades maacutes
importantes del relieve
como puede ser un
aacuterea accidentada o
no
Caen fuertes
precipitaciones o
caen de manera
continua provocan
deslizamientos sea
por aumento de
sobrecarga o por
cambios extremos en
las temperaturas las
cuales quiebran los
mantos rocosos
Es el desplazamiento de grandes voluacutemenes de material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por accioacuten directa de la fuerza de
gravedad hasta volver a encontrar un nuevo punto de reposo Los movimientos de masa se presentan sobre todo en la eacutepoca lluviosa o
durante una actividad siacutesmica
PROCESOS DE REMOCIOacuteN EN MASA
Se produce porque la fuerza actuante (sobrecarga) que es originada normalmente por el agua ejerce una presioacuten hacia abajo que rompe el
equilibrio existente hasta ese momento la gravedad proporciona la energiacutea adicional requerida para que se produzca el movimiento
descendente En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve se origina fundamentalmente por los movimientos siacutesmicos
FACTORES
CONCEPTO
ORIGEN
MOVIMIENTOS COMUNES
Formacioacuten de una superficiede ruptura recta o
curvada a partir de la cual se desplaza toda la
porcioacuten de terreno separada del conjunto con
la misma velocidad en todas sus partes
conservando su estructura y forma original
DESLIZAMIENTOS REPTACIOacuteN
Movimiento lento del suelo yo de detritos
rocosos cuesta abajo por lo general no
perceptible que afecta la parte superficial de
la ladera la capa de suelo y en algunos casos
la parte superior de la roca alterada Causas
lluvias o de fusioacuten de nieves que saturan los
suelos en ambientes huacutemedos y sobre
laderas con pendientes moderadas
DERRUMBAMIENTO
Incluye movimientos y caida directa de
material rocoso de variable dimensiones
Son causados por La fuerza gravitacional de
la tierra Grado e inestabilidad de fracturas de
la roca Efecto de meteorizacioacuten Efectos de
congelamiento del agua en las fracturas
34
partiacuteculas parcialmente degradadas por lo general de un tono maacutes claro de color
marroacuten o amarillo y contiene las raiacuteces profundas de las plantas grandes como los
aacuterboles
Existen diferentes meacutetodos de exploracioacuten para tomar muestras alteradas e
inalteradas
Una muestra alterada es aquella que estaacute constituida por material
disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales
para conservar las caracteriacutesticas de estructura y humedad in situ no
obstante en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua
original del suelo para lo cual las muestras se envasan en recipientes
impermeables y se transportan de forma que esteacuten protegidas de los
agentes atmosfeacutericos Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de
suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice y preparar especiacutemenes
compactados para someterlos a pruebas mecaacutenicas (SAHOP 1974)
Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura no
sufre de alteraciones quiacutemicas ni de humedad es decir conserva las
propiedades que teniacutea in situ Estas muestras se utilizan en el laboratorio
para identificar el tipo de suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice
y mecaacutenicas16
Las muestras inalteradas se obtendraacuten de suelos finos que pueden labrarse sin
que se disgreguen La obtencioacuten puede efectuarse en el piso o en las paredes de
una excavacioacuten como en un pozo a cielo abierto en la superficie del terreno
natural o en la de una terraceriacutea La excavacioacuten para obtener una muestra deberaacute
16Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015]
35
ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extraccioacuten de
la misma Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo
en su estado natural por lo que su obtencioacuten empaque y transporte requieren
cuidados especiales a fin de no alterarlas Las muestras deben ser identificadas
claramente Las superficies que esteacuten expuestas deben ser protegidas con
material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que
amortiguumlen las vibraciones que pudiera sufrir 17
5113 Problemas de los suelos expansivos en taludes y laderas ante
solicitaciones
Los terrenos con pendiente pronunciadas son aquellos que tienen susceptibilidad
ante fenoacutemenos como lo son los deslizamientos amplificacioacuten siacutesmica entre
otros18
Un sismo en materiales expansivos brindaraacute una respuesta dinaacutemica generada
por los suelos esto dependeraacute de las condiciones del esfuerzo de confinamiento y
del nivel de deformacioacuten que presenten los materiales de esta manera el suelo
no disipara energiacutea por poco amortiguamiento y la degradacioacuten a traveacutes de los
ciclos seraacute pequentildea lo cual indica una respuesta elaacutestica lineal Es asiacute como a
grandes deformaciones el suelo disipa mayor energiacutea por alto amortiguamiento y
la presioacuten de poro iguala el esfuerzo efectivo de confinamiento producieacutendose un
deterioro del suelo y por consiguiente la peacuterdida de resistencia por lo tanto la
respuesta es no lineal donde la rigidez decrece con el nuacutemero de ciclos19
17
Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015] 18
Criterio para calificar los suelos con fines urbanos [en liacutenea]lt httpesslidesharenetcarlosjcamachopresentacin-
de-la-materia-3742687gt [citado en 3 de octubre del 2009] 19
Comportamiento Dinaacutemico de las Arcillas [en liacutenea]
lthttpwwwptolomeounammx8080jspuibitstream132248521006014A4pdfgt[citado en 2 de enero del 2009]
36
Otro de las solicitaciones que modifican el estado de un talud se refiere a la
cantidad de agua que se infiltre por el suelo debido a que los periodos climaacuteticos
del antildeo se modifican y dependiendo de la cantidad de precipitacioacuten aumentaraacute o
disminuiraacute el nivel freaacutetico es asiacute como los suelos expansivos sufriraacuten aumento o
disminucioacuten de volumen seguacuten la cantidad de agua sea mayor o menor lo que
causara el hinchamiento en eacutepocas de lluvia y retracciones en eacutepoca seca
generando grietas y posterior rotura del suelo
Por consiguiente la gravedad podraacute causar deslizamientos con este tipo de suelos
De esta manera se presentaran perdida de asentamientos en muros y cimientos
deformacioacuten en pavimentos en las aceras movimientos de laderas y aparicioacuten de
cavidades por disolucioacuten de sales
En el caso de las cargas soportadas por suelos expansivos como lo son
pequentildeas zapatas soportando cargas livianas son faacutecilmente levantadas
mientras que cuando las zapatas son de gran tamantildeo y soportan cargas pesadas
no ocurre este proceso20
5114 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Dentro de los meacutetodos de exploracioacuten de suelos existen dos clasificaciones
meacutetodos directos y meacutetodos indirectos En la tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de
suelos se muestra una clasificacioacuten general de los meacutetodos de exploracioacuten maacutes
usuales y una breve descripcioacuten21
20
Villalaz Carlos Crespo Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta edicioacuten MexicoLimusa2004ISBN 968-18-6489-1
21 Tesis Meacutetodos de exploracioacuten de suelos [En liacutenea] lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en
23 de Junio de 2015]
37
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Meacutetodo Descripcioacuten
Meacutetodos
directos
Pozos a cielo
abierto
Es el meacutetodo maacutes satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo
Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse
en eacutel examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer
muestras alteradas e inalteradas Su aplicacioacuten eficiente resulta sobre suelos
cohesivos
Pala
posteadora
Es un meacutetodo manual de exploracioacuten somera que consiste en hincar un barreno y
obtener muestras del tipo alterado pero representativas en cuanto al contenido de
agua Se utiliza en lugares donde otros equipos mecaacutenicos no pueden ser usados
Tubo Shelby Consiste en un tubo afilado de 75 a 10 cm de diaacutemetro que se hincan a presioacuten
para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o
semiduros
Sondeo de
penetracioacuten
estaacutendar
Con esta teacutecnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la
resistencia al corte con el nuacutemero de golpes con el que se hinca el penetroacutemetro
una distancia de 30 cm El equipo consta de un penetroacutemetro el cual se hinca a
golpes mediante un martinete de 635 kg que cae desde 76 cm de alto
Muestreador
Denison
Consiste en dos tubos conceacutentricos que se hinca en el suelo para obtener
muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyeccioacuten de fluido de
perforacioacuten que se hace circular entre ambos tubos
Meacutetodos
indirectos
Meacutetodo
siacutesmico
Consiste en provocar una explosioacuten en un punto determinado del aacuterea a explorar
usando una pequentildea carga de explosivo usualmente nitro amonio Por la zona a
explorar se situacutean geoacutefonos cada 15 oacute 30 cm Este procedimiento se funda en la
velocidad de propagacioacuten de las ondas vibratorias de tipo siacutesmico a traveacutes de
diferentes medios materiales
Meacutetodo de
resistividad
eleacutectrica
Consiste en inducir una corriente eleacutectrica a traveacutes de los suelos de tal forma que
se presente una mayor o menor resistividad eleacutectrica para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo Mayores resistividades corresponden a rocas
duras siguiendo con rocas suaves y asiacute sucesivamente hasta valores menores
correspondientes a suelos suaves saturados
Meacutetodos
magneacuteticos y
gravimeacutetricos
Para el primero se utiliza un magnetoacutemetro que mide la componente vertical del
campo magneacutetico terrestre en la zona considerada en varias estaciones
proacuteximas entre siacute En los meacutetodos gravimeacutetricos se mide a aceleracioacuten del
campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar La informacioacuten
que proveen estos meacutetodos es algo erraacutetica y difiacutecil de interpretar
Fuente Ajustado de httptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdf
38
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 512
Se describen los diferentes meacutetodos de anaacutelisis en taludes con la finalidad de
observar la diferencia entre los mismos e identificar cuaacutel de ellos cumple con la
desarrollo del trabajo en el anaacutelisis del valor de factor de seguridad resumidos en
la graacutefica 2 Meacutetodos de caacutelculo
5121 Meacutetodos de equilibrio liacutemite
Se basan en leyes de la estaacutetica determinando el estado de equilibrio de un
terreno inestable No tienen en cuenta las deformaciones del terreno Suponen
que la resistencia al corte se moviliza total y concordantemente a lo largo de la
superficie de corte Se pueden clasificar en dos grupos
bull Meacutetodos exactos
bull Meacutetodos no exactos
5122 Meacutetodos exactos
El uso de las leyes de la estaacutetica da una solucioacuten exacta al problema Esto soacutelo es
posible en taludes de geometriacutea sencilla como por ejemplo la rotura planar y la
rotura por cuntildeas
5123 Meacutetodos no exactos
En la mayoriacutea de los casos la geometriacutea de la superficie de rotura no permite
obtener una solucioacuten exacta del problema solamente mediante la aplicacioacuten de las
leyes de la estaacutetica El problema es hiperestaacutetico y ha de hacerse alguna hipoacutetesis
previa que permita su resolucioacuten Se pueden tomar los meacutetodos que consideran el
equilibrio global de masa deslizante hoy en desuso y los meacutetodos de las dovelas
o rebanadas que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas
verticales
39
Los meacutetodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en
Meacutetodos aproximados que no cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica
Se pueden nombrar los meacutetodos de Fellenius Janbu y Bishop simplificado
Meacutetodos completos que cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica Los
conocidos son los meacutetodos de Morgenstern-Price Spencer y Bishop
riguroso
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo
Fuente Propia
A traveacutes de los meacutetodos de caacutelculo se desarrollan los meacutetodos de anaacutelisis para
estabilidad de taludes estos son de gran importancia para el desarrollo a nivel
numeacuterico con el fin de identificar que sucede en un talud al cambiar y modificar
ciertos paraacutemetros geomecaacutenicos mostrados dichos meacutetodos en la tabla 7
Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
40
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
Meacutetodo de
tablas o
nuacutemero de
estabilidad
Para los taludes simples homogeacuteneos se han desarrollado tablas que
permiten un caacutelculo raacutepido del factor de seguridad Existe una gran cantidad
de tablas desarrolladas por diferentes autores La primera de eacutestas fue
desarrollada por Taylor en 1966 Desde entonces han sido presentadas
varias tablas sucesivamente por Bishop y Morgenstern (1960) Hunter y
Schuster (1968) Janbuacute (1968) Morgenstern (1963) Spencer (1967)
Terzaghi y Peck (1967) y otros
Meacutetodo del
talud infinito
El meacutetodo del talud infinito es un sistema muy raacutepido y sencillo para
determinar el factor de seguridad de un talud suponiendo un talud largo
con una capa delgada de suelo en el cual cualquier tamantildeo de columna de
suelo es representativo de todo el talud Las suposiciones del meacutetodo del
talud infinito son las siguientes suelo isotroacutepico y homogeacuteneo talud
infinitamente largo y superficie de falla paralela al talud El principal uso del
meacutetodo del talud infinito es la elaboracioacuten de planos de amenaza a los
deslizamientos mediante el uso de SIGS
Meacutetodo del
bloque
deslizante
El anaacutelisis de bloque puede utilizarse cuando existe a una determinada
profundidad una superficie de debilidad relativamente recta y delgada La
masa que se mueve puede dividirse en dos o maacutes bloques y el equilibrio de
cada bloque se considera independientemente utilizando las fuerzas entre
bloques No considera la deformacioacuten de los bloques y es uacutetil cuando existe
un manto deacutebil o cuando aparece un manto muy duro sobre el cual se
puede presentar el deslizamiento
Meacutetodo
Ordinario o
de Fellenius
Conocido tambieacuten como meacutetodo Sueco meacutetodo de las Dovelas o meacutetodo
USBR Este meacutetodo asume superficies de falla circulares divide el aacuterea
de falla en tajadas verticales obtiene las fuerzas actuantes y resultantes
para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de
Seguridad
41
Meacutetodo de
Bishop
Bishop (1955) presentoacute un meacutetodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta
el efecto de las fuerzas entre las Dovelas El meacutetodo simplificado de Bishop
es uno de los meacutetodos maacutes utilizados actualmente para el caacutelculo de
factores de seguridad de los taludes Aunque el meacutetodo soacutelo satisface el
equilibrio de momentos se considera que los resultados son muy precisos
en comparacioacuten con el meacutetodo ordinario
Meacutetodo de
Janbuacute
El meacutetodo simplificado de Janbuacute se basa en la suposicioacuten de que las
fuerzas entre dovelas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de
cortante Janbuacute considera que las superficies de falla no necesariamente
son circulares y establece un factor de correccioacuten fo El factor fo depende
de la curvatura de la superficie de falla Estos factores de correccioacuten son
solamente aproximados y se basan en anaacutelisis de 30 a 40 casos
Meacutetodo de
Spencer
El meacutetodo de Spencer es un meacutetodo que satisface totalmente el equilibrio
tanto de momentos como de esfuerzos El procedimiento de Spencer
(1967) se basa en la suposicioacuten de que las fuerzas entre dovelas son
paralelas las unas con las otras o sea que tienen el mismo aacutengulo de
inclinacioacuten
Meacutetodo de
Morgenstern
y Price
El meacutetodo de Morgenstern y Price (1965) asume que existe una funcioacuten que
relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas Esta
funcioacuten puede considerarse constante como en el caso del meacutetodo de
Spencer o puede considerarse otro tipo de funcioacuten La posibilidad de
suponer una determinada funcioacuten para determinar los valores de las fuerzas
entre dovelas lo hace un meacutetodo maacutes riguroso que el de Spencer22
Adaptado de Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil
Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
22
Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-
Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
42
52 MARCO LEGAL
Para garantizar la viabilidad normativa del presente trabajo este se encuentra
acorde a los requisitos legales y normativos de la actualidad descritos en la tabla
8 Normatividad
Tabla 8 Normatividad
NORMA OBJETIVO
CE020 Estabilizacioacuten de
Suelos y de Taludes
Establecer las consideraciones teacutecnicas miacutenimas para el mejoramiento requerido de la resistencia de suelos y de la estabilidad de taludes
NSR 2010 Titulo H
Establecer criterios baacutesicos para realizar estudios geoteacutecnicos de edificaciones basados en la investigacioacuten del subsuelo y las caracteriacutesticas arquitectoacutenicas y estructurales de las edificaciones con el fin de proveer las recomendaciones geoteacutecnicas de disentildeo y construccioacuten de excavaciones y rellenos estructuras de contencioacuten cimentaciones rehabilitacioacuten o reforzamiento de edificaciones existentes y la definicioacuten de espectros de disentildeo sismo resistente para soportar los efectos por sismos y por otras amenazas geoteacutecnicas desfavorables
NSR 2010 Titulo A2
Establecer los valores de coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva para el disentildeo la cual se encuentra impliacutecita en la tabla A22 del cual se toma el valor 030 en una escala de 005 hasta 050 desde amenaza siacutesmica baja hasta amenaza siacutesmica alta lo que indica que para efecto de anaacutelisis y disentildeo de taludes se debe emplear la aceleracioacuten maacutexima del terreno en donde el coeficiente siacutesmico de disentildeo para anaacutelisis seudo estaacutetico de taludes KST tiene el valor inferior tomando asiacute el valor de 080 de suelos enrocados y macizos fracturados lo que implica ejecutar una operacioacuten matemaacutetica simple con el fin de obtener el valor de Aa adecuado para el disentildeo dinaacutemico del talud el cual es 025
Fuente Propia
43
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO
En este capiacutetulo se evidencia el enfoque que se expuso en el presente trabajo
dejando claras las caracteriacutesticas principales para el desarrollo de modelos que
presentan el factor de seguridad oacuteptimo en suelos expansivos
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN
El enfoque que se empleo es de caraacutecter cuantitativo y cualitativo ya que se tomoacute
como base de trabajo los estudios realizados en diferentes zonas compuestas por
suelos expansivos
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN
Cuenta con una investigacioacuten tipo analiacutetica ya que se desarrolloacute una matriz de
comparacioacuten entre paraacutemetros mecaacutenicos y geoteacutecnicos comunes en los suelos
expansivos en donde se buscoacute valores miacutenimos de factores de seguridad en
relacioacuten a paraacutemetros de resistencia condiciones geomeacutetricas y factores
naturales
63 DISENtildeO MUESTRAL
Para el trabajo se tiene en cuenta un talud con caracteriacutesticas geoteacutecnicas y
geomeacutetricas establecidas en donde ejecutoacute una comparacioacuten del comportamiento
del talud con respecto a valores de factor de seguridad para lo cual se realiza un
anaacutelisis de la poblacioacuten universo muestra individuo y variables descritas a
continuacioacuten
Poblacioacuten universo 631
La poblacioacuten universo de la investigacioacuten se basa en el anaacutelisis de taludes ya que
es el elemento maacutes grande del cual se tomoacute la muestra con el fin de ejecutar un
44
anaacutelisis de paraacutemetros geomecaacutenicos sobre el comportamiento de la presencia
de suelos expansivos frente a las variables correspondientes
Muestra 632
Consiste en 264 modelos ejecutados en SLIDEreg de donde se tienen en cuenta
valores de Ru= 00 025 y 05 con alturas de 10 m y 20 m aacutengulos de inclinacioacuten
de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm asiacute mismo se realizan 120 modelos adicionales en donde la
altura es de 10 m variando el valor de Ru=00 01 025 05 y aacutengulos de
inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm en donde se tiene en cuenta los paraacutemetros
geomecaacutenicos y geomeacutetricos para diferentes tipos de suelos expansivos
correspondientes
CH Arcilla de alta plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con alta
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
mayor de 50 tacto suave23
CL Arcilla de baja plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con baja
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
menor de 50 tacto suave24
MH Limo de alta plasticidad suelo de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse ante su esfuerzo mecaacutenico limite liquido menor de 50
tacto aacutespero25
23
El sistema unificado de clasificacioacuten de los suelos [en liacutenea]lt
ftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt [citado en 3 de noviembre del
2015]
24 Ibiacuted Cuadro 21
25 Ibiacuted Cuadro 21
45
Individuo 633
Taludes con presencia de suelos expansivos como arcilla de baja alta plasticidad
y limos de alta plasticidad en general
Variables 634
Caracteriacutesticas del suelo del talud humedad del suelo que conforma el talud
inclinacioacuten de talud aacutengulo de friccioacuten del suelo cohesioacuten nivel freaacutetico factor
de seguridad Tabla 9 Variables
Tabla 9 Variables
Fuente Propia
Se establece que para la medicioacuten de variables en el problema de investigacioacuten
del proyecto que se desarrolloacute el cual estaacute basado en el ANAacuteLISIS DE
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
EXPANSIVOS Los meacutetodos que se desarrollan en la estabilizacioacuten de taludes
son
VARIABLES
CUALITATIVAS Tipo de suelo CH CL y MH
CUANTITATIVAS
Humedad del suelo que conforma el talud ndash Nivel Freaacutetico
Inclinacioacuten de talud
Altura de talud
Angulo de friccioacuten
Cohesioacuten
Factor de seguridad
Sismo
46
Meacutetodo de Bishop simplicado a pesar de solo satisface el equilibrio de
momentos y no cumple con la totalidad de las ecuaciones de la estaacutetica
presenta exactitud frente a los resultados que se obtienen en comparacioacuten
con el meacutetodo ordinario de igual manera utiliza las dovelas teniendo en
cuenta las fuerzas entre las mismas y es uno de los maacutes utilizados para
calcular el factor de seguridad de los taludes la principal restriccioacuten del
meacutetodo es que solo considera las superficies circulares (Jaime
Suarez2002)
De igual manera se ejecuta el respectivo anaacutelisis por medio de Software Slidereg
en el cual se tienen en cuenta para los modelos los paraacutemetros descritos
anteriormente
Slidereg ya que es un programa con anaacutelisis de la filtracioacuten incorporando
elementos finitos y funciones que define directamente el usuario de esta
manera el estudio de sensibilidad permite determinar el efecto de las
variables en el factor de seguridad de un talud
64 FASES DEL PROYECTO
A traveacutes de las fases es posible identificar el orden cronoloacutegico en el que se
desarrolla el presente documento para cumplir el objetivo general que es analizar
el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos por
suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo que se
describen a continuacioacuten
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas
47
Actividad 1 Consultar en diferentes fuentes de informacioacuten definiciones de
los paraacutemetros geomecaacutenicos de suelos expansivos que seraacuten estudiados
Actividad 2 Investigacioacuten del subsuelo y conocimiento determinado de
suelos expansivos referenciando los meacutetodos de exploracioacuten
Actividad 3Identificacioacuten problemas que ocasionan estos materiales con
presencia taludes ante solicitaciones de gravedad infiltracioacuten sismo
escorrentiacutea y otros
Actividad 4 Recopilacioacuten de informacioacuten secundaria referente al
comportamiento de estos materiales
Actividad 5 Documentacioacuten de antecedentes referentes a deslizamientos y
amenazas que presente un talud compuesto por suelos expansivos
identificando coacutemo se estudian los deslizamientos y los problemas
geoteacutecnicos que se presentan en estos materiales
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 642
Actividad 1 Definicioacuten de los paraacutemetros a estudiar para la modelacioacuten en
taludes
Actividad 2 Elaboracioacuten de matriz para la definicioacuten del modelo
geoteacutecnico el desarrollo y respuesta del mismo
48
Actividad 3Realizar la instruccioacuten en programas de modelacioacuten para
estabilidad de taludes
Actividad 4 Modelacioacuten geoteacutecnica mediantes equilibrio liacutemite para las
diferentes condiciones de escenarios descritos en la matriz
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 643
Actividad 1Generacioacuten de graacuteficas de resultados de las modelaciones
para la revisioacuten del factor de seguridad
Actividad 2Anaacutelisis del comportamiento de los paraacutemetros geoteacutecnicos
definidos teniendo como base la modelacioacuten realizada en diferentes
escenarios
Actividad 3 Generacioacuten de graacuteficas finales de respuesta del
comportamiento de los paraacutemetros geomecaacutenicos
Actividad 4 Anaacutelisis de resultados respecto a la generacioacuten de graacuteficas
Actividad 6 Generacioacuten y redaccioacuten del documento final
Actividad 7 Generacioacuten de Articulo
49
7 DESARROLLO METODOLOacuteGICO
Por medio de la descripcioacuten detallada de conceptos se obtiene la identificacioacuten de
suelos expansivos a estudiar que como se menciona en el documento son
materiales compuestos por arcillas de alta y baja plasticidad y limos de alta
plasticidad en donde se identifica las caracteriacutesticas mecaacutenicas geoteacutecnicas
fiacutesicas que son claves al momento del anaacutelisis de cada uno de los modelos a
ejecutar en el software Slidereg con el fin de conocer el comportamiento de los
suelos en mencioacuten cuando se tienen variables de sismo nivel freaacutetico y
geometriacutea correspondiente a diferentes aacutengulos de inclinacioacuten 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
y una altura de 10 m 20 m y variaciones con respecto al paraacutemetro Ru de 00
01 025 04 05 en condiciones estaacutetica y dinaacutemica
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS
Se realiza una descripcioacuten detallada acerca de los suelos expansivos que
conforman un talud de los cuales se analiza el factor de seguridad como lo son
arcillas de baja y alta plasticidad y limos de alta plasticidad donde se identifican
las caracteriacutesticas que componen cada uno de estos suelos y la diferencia de los
mismos para su respectiva identificacioacuten descritos en la tabla 10 Descripcioacuten de
suelos expansivos
50
CH CL ML
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGAacuteNICO DE BAJA PLASTICIDAD
Arcillas inorgaacutenicas de alta plasticidad arcillas
grasas
Arcillas inorgaacutenicas de plasticidad baja a mediana
arcillas gravosas arcillas arenosas arcillas limosas
arcillas magras
Limos inorgaacutenicos y arenas muy finas harina de
roca arenas finas limosas o arcillosas o limos
arcillosos de ligera plasticidad
Suelo de grano fino
Diaacutemetro de las partiacuteculas comprendido entre
005 mm y 0005 mm
Color variacutea desde gris claro a muy oscuro
No suelen tener propiedades colidales
A partir de 0002 mm y a medida que
aumenta el tamantildeo de las partiacuteculas se
va haciendo cada vez mayor la
proporcioacuten de minerales no arcillosos
Partiacuteculas forma redondeada
Tacto aacutespero
Mayor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de masa
Se secan con relativa rapidez y no se
pegan a los dedos
Los terrones secos tienen una cohesioacuten
apreciable pero se pueden reducir a
Pueden ser colapsables
Fuerte olor a tierra Ligero olor a tierra Olor no caracteriacutestico a menudo ninguno
Consistencia alta Menor consistencia que las CH Consistencia baja
Estructura blanda Estructura menos blanda que las CH Estructura blanda
Alta capacidad de deformarse sin agrietarse ante
un esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten
al retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse ante un
esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten al
retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse
ante un esfuerzo mecaacutenico conservando la
deformacioacuten al retirarse la carga
Plaacutesticos Plaacutesticos Ligeramente plaacutesticos
Liacutemite liquido mayor de 50 arcillas de alta
contraccioacuten-dilatacioacuten Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos
Los terrones secos se pueden partir
pero no reducir a polvo con los dedos
No son colapsables
Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosos
Partiacuteculas forma laminar
Tacto suave
Menor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de
superficie
GRAacuteFICO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS DE GRANO FINO
SUELOS EXPANSIVOS
Son suelos que al ser humedecidos sufren una expansioacuten que pone en peligro a las estructuras cimentadas sobre ellos
Su comportamieno se caracteriza principalmente por
- La contraccioacuten debido al secado
- La expansioacuten al humedeserce
- Desarrollo de presiones de expansioacuten cuando estaacute confinado y no puede expandirse
Suelen tener propiedades colidales
Suelo de grano fino suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio
hidratados procedentes de la descomposicioacuten de rocas que contienen feldespato como el granito
Diaacutemetro menor de 0005 mm
Presenta diversas coloraciones seguacuten las impurezas que contiene desde el rojo anaranjado hasta el
blanco cuando es pura
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos
Fuente Adaptado de
[En liacutenea] ltftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt[citado en 15 de
octubre del 2015]
[En liacutenea] lt httpesslidesharenetfrkfirtinsuelos-expansivosgt[citado en 15 de octubre del 2015]
[En liacutenea] lthttpwwwfceiaunreduargeologiaygeotecniaDiferenciasgt[citado en 15 de octubre del 2015
51
UNIDAD SUELO-1 SUELO-2 SUELO-3
71 63 43
32 37 24
39 26 19
31 26 23
KNm3 132 139 146
KNm3 141 146 151
24 22 20
CH MH CL
CONTENIDO INICIAL DEL AGUA
CLASIFICACIOacuteN DEL SUELO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
LIMITE DE CONSISTENCIA
COMPACTACIOacuteN
OPTIMO CONTENIDO DE AGUA
DENSIDAD LIBRE MAacuteXIMA
PROPIEDADES FISICAS INALTERADAS DE LA MUESTRA DE SUELO
DENSIDAD LIBRE INICIAL
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLAacuteSTICO
INDICE PLAacuteSTICO
PROPIEDADES
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH
Es necesario conocer las propiedades fiacutesicas de los suelos descrita en la tabla
11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos ya que de estas depende el
comportamiento mecaacutenico que lo mismos presentan ante factores intriacutensecos y
extriacutensecos como los son lluvia y sismo siendo estos importantes al momento de
observar el proceso de remocioacuten en masa de un talud cuando se afecta por estos
factores
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A traveacutes del estudio realizado en el libro expansive Soils se obtienen este tipo de
propiedades fiacutesicas de los materiales que en el presente proyecto se desarrollan
descritos en la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos en el
estudio ejecutado se describe sobre los avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento en suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
52
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar los inconvenientes que la presencia de estos
puedan generar en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada
por la expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten o
dilatacioacuten que presentan debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel
freaacutetico
Por lo tanto el limite liacutequido que presentan los tipos de suelos analizados es para
un CH de 71 MH de 63 y CL de 43 lo que indica que este es el porcentaje
en el que cada uno de estos suelos pasa de un estado liacutequido a uno plaacutestico Es
asiacute como se observa que existe maacutes probabilidad de que ocurra este fenoacutemeno
con la arcilla de alta plasticidad
Con respecto al liacutemite plaacutestico se observan valores obtenidos para un CH 32
MH 37 y 24 que es cuando el suelo pasa de un estado semisoacutelido a uno
plaacutestico siendo mayor para el limo de alta plasticidad
De tal manera que se observa el Iacutendice de plasticidad bajo como por ejemplo del
19 para una arcilla de baja plasticidad la cual significa que un pequentildeo
incremento en el con tenido de humedad del suelo lo transforma de semisoacutelido a
la condicioacuten de liacutequido es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad
Por el contrario un iacutendice de plasticidad alto como por ejemplo del 39
perteneciente a la arcilla de alta plasticidad indica que para que el suelo pase del
estado semisoacutelido al liacutequido se le debe agregar gran cantidad de agua26
Tambieacuten se obtiene el contenido oacuteptimo de agua el cual permite la obtencioacuten de la
26
Liacutemites de Atterberg Iacutendice de Plasticidad Fluidez Retraccioacuten [en liacutenea]lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
53
densidad maacutexima mediante la compactacioacuten que seguacuten tabla 11 Es 31 para un
CH 26 para el MH y 23 para el CL Siendo este valor inversamente
proporcional a la densidad libre maacutexima debido a que entre mayor es el oacuteptimo
contenido de agua menor es la densidad maacutexima
De esta manera se obtienen las propiedades fiacutesicas de los suelos estudiados
haciendo la respectiva clasificacioacuten de los materiales correspondientes a suelos
expansivos
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS
Con el fin de lograr la identificacioacuten de cada uno de los materiales se seleccionan
los paraacutemetros geomecaacutenicos siendo los mismos importantes pues de estos
depende el comportamiento y el valor de factor de seguridad del talud cuando se
relacionan con paraacutemetros geomeacutetricos y de Ru ante factores estaacuteticos y
dinaacutemicos que se describen en los siguientes numerales a partir del 731
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 731
La seleccioacuten de paraacutemetros a raiacutez de la investigacioacuten realizada se consolidoacute
teniendo en cuenta los siguientes datos bibliograacuteficos
En el libro Expansive Soil se observa la descripcioacuten de un estudio donde se
evaluacutea la presioacuten de hinchamiento del suelo el potencial de hinchamiento y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada de muestras alteradas e inalteradas de
suelos expansivos De donde se describen tres tipos de suelos seleccionados de
la parte norte de Jordania con una amplia gama de contenido de arcilla
caracterizando las propiedades fiacutesicas de estos suelos como la gradacioacuten el
liacutemite plaacutestico y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco
54
maacuteximo y el contenido oacuteptimo de agua de donde se tienen en cuenta las normas
ASTM para consolidar los resultados en la Tabla 11 del presente documento
Razoacuten por la cual se toman valores de peso especiacutefico para MH CH y CL ya que
el estudio que se explicoacute anteriormente estuvo basado en muestras de suelos
inalteradas en zonas altamente arcillosas con caracteriacutesticas similares a las que
se analizan
Otro de los estudios realizados en el libro de Expansive Soils trata de una serie
completa de pruebas de la compresioacuten inconfinada (UC) no consolidado no
drenado (UU) triaxiales y columna resonante (RC) en donde se realizan sobre
muestras estabilizadas quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del
sureste de Arlington Texas despueacutes de haber sido sometido a ciclos repetitivos
de humectacioacuten-secado (WD) inducido artificialmente en el laboratorio Se
utilizan los resultados para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo
plazo la rigidez y unidimensional (1-D) hinchazoacuten y contraccioacuten como respuesta
del suelo tratado incluyendo la resistencia a la compresioacuten inconfinada
paraacutemetros de resistencia al corte sin drenaje moacutedulo de corte dinaacutemico y
material de amortiguacioacuten
Los Meacutetodos de estabilizacioacuten incluyen sulfato resistente cemento Tipo V bajo en
calcio clase F de ceniza volaacutetil cal viva y se mezcla con fibras de polipropileno
Dichas muestras de suelo tratadas se curaron durante 7 diacuteas y despueacutes se
sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la prueba UC UU y RCl Un
ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua potable en la sala
de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a 140 degF En cambio
las caacutemaras wd permiten el monitoreo de 1-D expansioacuten-contraccioacuten que brinda
respuesta durante wd repetido Una dosis por peso 10 de cemento Tipo V
parece dar mejor rendimiento general bajo wd ciacuteclico
55
Es de esta manera como se busca resumir los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados descritos en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
natural antes de ser tratado En la misma tabla indicada pero en la fuente
bibliograacutefica se presentan los demaacutes resultados como resumen de los paraacutemetros
de resistencia al cortante (c-ɸ) obtenidos de ensayos triaxiales UU que en este
caso se omitieron debido a que nuestro estudio estaacute basado en suelos expansivos
sin tratar
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no
drenado Suelo natural antes de ser tratado
Nuacutemero de
ciclos w-d C (psi) C (KPa)
de
cambio
ɸ
(deg)
de
cambio
Suelo
Natural
0 68 469 00 06 00
1 65 449 - 44 06 00
2 67 462 - 15 06 00
4 63 435 - 74 06 00
8 69 476 + 15 06 00
16 69 473 + 07 06 00
32 69 476 + 15 06 00
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 129 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681
Los valores que se encuentran resaltados en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
56
natural antes de ser tratado fueron utilizados en el trabajo para los paraacutemetros del
material arcilla de alta plasticidad (CH)
A continuacioacuten se presentan las figuras correspondientes a los efectos del
contenido inicial de agua en la presioacuten por hinchamiento para obtener los valores
de cohesioacuten en cada uno de los tipos de suelos estudiados para ello se tiene en
cuenta las propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos resumidos en la tabla
11 donde se especifica el contenido inicial () del agua asiacute CH 24 MH 22 y CL
20 valores con los que se ingresa en el eje vertical para las figuras
correspondientes al suelo compuesto por limo de alta plasticidad y arcilla de baja
plasticidad analizado en condiciones estaacuteticas (la condicioacuten dinaacutemica se tendraacute
en cuenta en el proceso de modelacioacuten)
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH
Tomado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 134 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
57
A partir de la figura 3 se obtiene un valor de
y a su
vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla
inorgaacutenica de alta plasticidad
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para CL
Tomado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 135 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A partir de la figura 4 se obtiene un valor de
y a su vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla inorgaacutenica de alta
plasticidad
En la investigacioacuten se encuentran diferentes paraacutemetros para distintos tipos de
suelos de los cuales se analiza y compara con la fuente del libro de Expansive
58
Soils seleccionando los apropiados para ejecutar la modelacioacuten en el software
Slidereg en la Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos en el cual se
evidencian valores comparados con la fuente confiable del libro
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Consistencia
Angulo de friccioacuten
interna
ɸ en grados
Peso
especiacutefico
Kgcm2
Arena gruesa
o arena con
grava
Compacta 40 2250
Suelta 35 1450
Arena media Compacta 40 2080
Suelta 30 1450
Arena limosa
fina o limo
arenoso
Compacta 30 2080
Suelta 25 1365
Limo uniforme Compacta 30 2160
Suelta 25 1365
Arcilla-limo Suave a
mediana 20 1440-1920
Arcilla limosa Suave a
mediana 15 1440-1920
Arcilla Suave a
mediana 01 1440-1920
Fuente Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos [En liacutenea] lt httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-
diferentes-propiedades-de-los-suelosgt [citado en 11 de noviembre del 2015]
59
7311 Paraacutemetros para limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Este tipo de materiales cuentan con suelos de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse antes los esfuerzos mecaacutenicos contando con un liacutemite
liquido menor de 50 Los paraacutemetros para este material se establecen en la tabla
13 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
LIMO INORGAacuteNICO DE ALTA PLASTICIDAD
(MH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 15 146
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se toman de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten correspondiente al efecto del contenido de agua inicial en la
presioacuten de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para MH En
donde se observa la seleccioacuten del paraacutemetro en la graacutefica 3 El efecto del
contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH Ingresando en el eje horizontal con el contenido inicial
del agua descrito en la tabla No 11 Propiedades Fiacutesicas de los suelos
expansivos en la cual se describe un contenido de agua inicial de 22
que para condicioacuten estaacutetica es de 140 Kpa como presioacuten de hinchamiento
60
que permite obtener el valor de la cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten los datos obtenidos de la web ingeniero civil
denominada Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten de la tabla 13
Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos que se encuentra en un blog
peruano creado en agosto de 2010 por John J Rojas se identifica como
un portal que dedica a compartir y difundir temas relacionados con la
ingenieriacutea civil desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico Se describe en el paacuterrafo introductorio del numeral 73 de
seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos y es tomado de la tabla 11
Propiedades fiacutesicas de los suelos
7312 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
La arcilla de alta plasticidad pertenece a suelos inorgaacutenicos de grano muy fino
con baja capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico su
liacutemite liacutequido es mayor a 50 presentando asiacute los paraacutemetros geomecaacutenicos a
continuacioacuten para el respectivo material descrito en la tabla 15 Paraacutemetros
geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
61
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA
PLASTICIDAD
(CH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
469 06 141
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se tomaron de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten se encuentran resumidos los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados el anaacutelisis es efectivo por que el suelo se
presenta en estado natural En la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al
corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural
antes de ser tratado
Aacutengulo de friccioacuten tomado para el suelo natural sin ninguacuten tipo de
estabilizacioacuten ni alteracioacuten en el contenido del mismo basada en las
condiciones iniciales de suelos expansivos despueacutes de haber sido sometida
dicha muestra a ciclos repetitivos de humectacioacuten-secado (WD) inducido
artificialmente en el laboratorio para identificar el comportamiento del mismo
en cuanto a la resistencia al cortante donde el aacutengulo de friccioacuten interna
determina su comportamiento junto con la cohesioacuten resumidas dichas
62
Condiciones en la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para
ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural antes de ser
tratado
Peso especiacutefico este valor se encuentra descrito en el paacuterrafo introductorio
de seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos Tabla 11 Paraacutemetros fiacutesicos de
los suelos expansivos
7313 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
La arcilla de baja plasticidad hace parte de los suelos inorgaacutenicos de grano muy
fino con baja capacidad de deformacioacuten sin sufrir de grietas ente un esfuerzo
mecaacutenico el liacutemite liquido es menor a 50 de esta manera en la tabla 16
Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) se
describen los paraacutemetros a considerar para la modelacioacuten ejecutada
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA
PLASTICIDAD
(CL)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 01 151
Fuente propia
63
Los paraacutemetros relacionados se toman de distintas fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten corresponde al efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten
de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para CL Ingresando en
el eje horizontal con el contenido inicial del agua descrito en la tabla 11
Propiedades Fiacutesicas de los suelos expansivos se describe un contenido de
agua inicial de 20 que para condicioacuten estaacutetica muestra un valor de 140
Kpa como presioacuten de hinchamiento que permite obtener el valor de la
cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten Se obtiene de la web del ingeniero civil denominada
Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten un blog peruano creado en
agosto de 2010 por John J Rojas descrito en la tabla 13 Paraacutemetros de
diferentes tipos de suelos en donde se tiene en cuenta el portal que se
dedica a compartir y difundir temas relacionados con la ingenieriacutea civil
desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico descrito en el paacuterrafo introductorio de seleccioacuten de
paraacutemetros geomecaacutenicos de la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos
expansivos
64
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 732
Para la seleccioacuten del valor cuando hay presencia de sismo en la modelacioacuten del
talud se tiene en cuenta la norma NSR-10 TITULO A de donde se selecciona el
valor del coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva el cual
se determina en su maacuteximo valor de amenaza siacutesmica igual a 030 descrito en la
Tabla A23-1 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y de Av descrito en la
figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y Av
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo A Capitulo A2 Zona de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de
disentildeo
El valor que se selecciona en el paacuterrafo anterior para una amenaza siacutesmica alta
se multiplica por el coeficiente Kst que se utiliza para el anaacutelisis y disentildeo de
taludes en donde se debe incluir la aceleracioacuten maacutexima del terreno teniendo en
cuenta el tipo de material terreo que se manejaraacute en el presente proyecto Tomado
de la tabla H52-1 de la norma sismo resistente Observado en la figura 6
Valores de Kst A max
65
Figura 6Valores de Kst A max
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5Excavaciones y estabilidad de taludes
Seleccionando el valor que pertenece a suelos enrocados y macizos muy
rocosos con un Kst de 080 ya que no se ejecutoacute ninguacuten anaacutelisis de amplificacioacuten
en los suelos expansivos de estudio
El valor se aproxima de 024 a 025 como coeficiente de aceleracioacuten de amenaza
siacutesmica en el disentildeo de los taludes en el software Slide reg
De tal manera que para el anaacutelisis de factor de seguridad de los taludes se tiene
en cuenta el capiacutetulo H en donde se especifican los valores maacuteximos para que el
talud se encuentre en amenaza por un fenoacutemeno de remocioacuten en masa El cual se
puede observar el la figura 7Factores de seguridad indirectos miacutenimos
66
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5 Excavaciones y estabilidad de taludes
7321 Paraacutemetro de presioacuten de poros Ru
Teniendo en cuenta que el Ru es una relacioacuten de poros y esfuerzo vertical se
seleccionan valores de 00 01 025 04 y 05 en donde a medida que aumenta
dicho valor indica el nivel de agua contenido en el suelo del talud para el valor
00 el suelo se encuentra de estado natural-huacutemedo en 025 es un nivel de agua
medio en el talud y 05 talud saturado
67
Paraacutemetros geomeacutetricos 733
En la etapa de recoleccioacuten de datos se investigaron tesis relacionadas con el tema
de donde se tuvo en cuenta el documento desarrollado sobre Influencia Del
Abatimiento Del Nivel Freaacutetico En El Caacutelculo del Factor De Seguridad Para La
Estabilidad De Taludes realizado por el Ingeniero Leonardo Leuro Antildeo
2015Universidad La Gran Colombia
Para lo cual se seleccionan diferentes alturas en la geometriacutea del talud y aacutengulos
de inclinacioacuten estudiados en el proyecto descrito anteriormente los cuales fueron
Aacutengulos 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Alturas de talud de 10 m y 20 m
74 DESARROLLO DEL MODELO
A traveacutes de los paraacutemetros geomecanicos y geomeacutetricos anteriormente descritos
se disentildean taludes con diferentes condiciones con el fin de lograr un anaacutelisis
completo de lo que se presenta en campo descrito en la tabla 17 Matriz de
disentildeo
68
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
Fuente propia
De la cual se generan los modelos teniendo en cuenta los diferentes aacutengulos y
alturas en estado dinaacutemico y estaacutetico para diferentes valores de Ru de donde se
obtienen valores de factor de seguridad para el material de Arcilla de alta
plasticidad limo de alta plasticidad y arcilla de baja plasticidad en el cual se
evidencian los paraacutemetros geomecaacutenicos descritos a partir del numeral 73
Paraacutemetros geomecaacutenicos del presente documento
000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447 2416 2184 1937 1471 1307 1139 1468 1466 1465 0909 0907 0906
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670 1575 1365 1146 0993 0851 0705 0733 0731 0729 0492 0490 0489
10 1991 1983 1975 1404 1398 1392 2007 1817 1624 1380 1246 1111 1377 1376 1374 0882 0881 0880
20 1008 1000 0991 0677 0670 0664 1246 1073 0902 0887 0756 0626 0689 0687 0686 0466 0464 0463
10 1810 1804 1798 1345 1340 1336 1654 1479 1319 1248 1131 1015 1251 1250 1248 0868 0867 0866
20 0958 0951 0945 0649 0644 0638 1011 0858 0705 0763 0646 0527 0623 0622 0621 0460 0459 0458
10 1548 1542 1536 1242 1238 1233 1306 1141 0981 1107 0988 0858 1069 1068 1067 0831 0830 0830
20 0779 0773 0767 0587 0582 0578 0797 0640 0485 0648 0534 0406 0536 0535 0534 0403 0402 0402
30
45
60
75
RuALTURAANGULO
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
Ru Ru
0
Ru
025
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
C (KNM2) φ γ(KNM2)
35 15 146
Ru Ru
C (KNM2) φ γ(KNM2)
CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
35 01 151
69
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 741
Se realiza el disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en
condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 0 en
donde se indica una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Que se
observa en la figura 8Modelo en Slidereg para un CH de donde se obtiene el valor
de factor de seguridad que se muestra en la figura 9 Factor de seguridad CH
estaacutetico
Figura 8 Modelo en slide para un CH
Fuente Propia
70
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico
Fuente Propia
De esta manera se realiza este procedimiento para los materiales de MH Limo de
alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
Se lleva acabo el disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de aacutengulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico brindando asiacute un
factor de seguridad que se muestra en la figura 11 Factor de seguridad para MH
estaacutetico
71
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad para dicho modelo descrito en la
figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Fuente propia
72
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12Modelo de Slidereg para un CL estaacutetico
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad del talud que se observa en la figura
13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Fuente propia
73
En el proceso de modelacioacuten se incluye la condicioacuten de sismicidad en donde en el
Software SLIDEreg se agrega en LOADING seismic load y se coloca el valor de
025 como coeficiente de amenaza siacutesmica Aa
De esta manera se tiene en cuenta la condicioacuten dinaacutemica la cual se realiza en el
disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 para una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Observado en la figura
14Modelo en Slide para un CH dinaacutemico
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico
Fuente Propia
74
Del anterior disentildeo se logra obtener el factor de seguridad que se observa en la
figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Fuente Propia
Es asiacute como se lleva a cabo este procedimiento para los materiales de MH Limo
de alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
El disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 con una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se observa en la figura
16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
75
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad observado en la figura 17 Factor de
seguridad para MH dinaacutemico
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico
Fuente propia
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 0 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 025 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12 Modelo de Slide para un CL estaacutetico el cual se observa
76
en la Figura 18 Modelo de Slide para un CL dinaacutemico
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad del talud en condicioacuten de sismo visto
en la figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Fuente propia
77
De esta manera se modifican en el modelo los valores de Ru=0 025 y 05 y las
alturas de 10m y 20m con aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
relacionaacutendolos entre siacute obteniendo el factor de seguridad para condiciones
estaacuteticas en 144 modelos en condiciones estaacuteticas y dinaacutemicas En la segunda
modelacioacuten se realiza el mismo procedimiento con 120 modelos incluyendo
valores de Ru= 01 y 04 con una altura especifica de 10 metros para diferentes
aacutengulos
De donde se obtiene como resultado la matriz de factores de seguridad que se
muestra en la tabla 17 Valores de factor de seguridad
Tabla 17Valores de factor de seguridad
Fuente propia
De estos resultados se efectuacutea el anaacutelisis de graacuteficas que se observa en el
numeral 8anaacutelisis de resultados comparando el factor de seguridad vs el aacutengulo
para diferentes alturas del talud con presencia de CH MH y CL en
condiciones dinaacutemicas y estaacuteticas como se muestra en la figura 20 Comparacioacuten
de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para Ru=00
CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670
0
Ru
025
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
30
RuALTURAANGULO
78
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten
estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
Fuente propia
De esta manera para los 120 modelos donde los Ru= 00 01 025 04 y 05 con
una altura de 10 metros y aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75 ordm se
elaboran las graacuteficas en Excel con el fin de hacer una comparacioacuten de cada uno
de los aacutengulos con respecto al valor de factor de seguridad vs ru en estado
dinaacutemico y estaacutetico que se muestra en la Figura 21 Graacutefica Factor de seguridad
Vs Ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y altura de 10 m en CH
MH y CL de esta manera se estudian los comportamientos respectivamente en el
iacutetem 8anaacutelisis de resultados
79
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente propia
Con el fin de obtener la cohesioacuten a la que un talud compuesto por suelos
expansivos con aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm a una altura de 10 metros cumple
con los factores de seguridad expuestos en el numeral 732 Seleccioacuten de valores
de sismo y ru en estado estaacutetico y dinaacutemico se ejecuta una sensibilizacioacuten del
paraacutemetro cohesioacuten para los diferentes modelos modificando asiacute el valor de ru
en 00 01 025 04 y 05 siendo 00 la condicioacuten seca o en estado natural del
suelo 025 condicioacuten intermedia de nivel de agua en el talud y 05 condicioacuten de
saturacioacuten mientras que 01 y 04 son valores intermedios
Se realiza el siguiente procedimiento con cada uno de los modelos en donde se
encuentra una modificacioacuten de la geometriacutea (aacutengulo) el valor ru y su condicioacuten
estaacutetica o dinaacutemica
80
1 Se toma como ejemplo el modelo de talud para10 metros con un aacutengulo
de 30ordm con material de arcilla de alta plasticidad se verifica que se
encuentre la seleccioacuten en anaacutelisis Project settings statistics y se
selecciona sensitivity analysis Como se muestra en la figura 22
Sensitividad de paraacutemetros
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros
Fuente propia
2 Se seleccionan las variables y se escriben los valores de cohesioacuten que en
este caso son de 469 knm2 para CH 35 knm2 para CL y 35 knm2 para
MH en cada uno de los modelos correspondientes a cada material y con
su respectiva geometriacutea determinando los rangos de las variables que en
este caso se manejan 20 por encima y por debajo para el CH y 30 por
encima y por debajo para el CL y MH como se muestra en la figura 23
Rangos de variables
81
Figura 23 Rangos de variables
Fuente propia
3 Se corre el modelo con el fin de obtener la falla que presenta el talud y
cuando se obtiene se da clic en statistics sensitivity analysis plot se
selecciona cohesioacuten y el meacutetodo que para este caso es bishop y se da clic
en plot de donde se obtiene la graacutefica factor de seguridad vs cohesioacuten Que
se muestra en la figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud
compuesto por CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
82
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con altura de
10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
Fuente propia
4 La figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por
CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm se exporta a Excel y
se realiza el mismo procedimiento para los aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
para cada uno de los materiales CH MH y CL de donde se modifica la
condicioacuten de ru y de estaacutetico a dinaacutemico de donde se obtienen las graacuteficas
correspondientes a cada uno de los aacutengulos por cada material Como se
muestra en la figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH CL y
MH con altura de 10 m con ru=00 01025 04 y 05 en condicioacuten
estaacutetica y seudo-estaacutetica
83
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con ru=00 en
condicioacuten estaacutetica
Fuente propia
5 Al obtener las graacuteficas para CH MH y CL con condiciones de ru=00 01
025 04 y 05 se traza un liacutenea horizontal en el valor de 15 para condicioacuten
estaacutetica y en 105 para condicioacuten dinaacutemica que se describen en la tabla
7Factores de seguridad indirectos miacutenimos tomados de la NSR-10 y una
liacutenea vertical que intersecta con la liacutenea horizontal con las pendientes
correspondientes a cada uno de los valores de factor de seguridad vs
cohesioacuten que se realiza para cada aacutengulo encontrando asiacute el valor de
cohesioacuten de tal manera que los mismos indican que para las condiciones
geomeacutetricas descritas los valores de cohesioacuten que se muestran en el
anexo 4 Valores de cohesioacuten para suelos expansivos cuando se tiene un
84
valor menor al mostrado en la tabla los valores de factor de seguridad no
cumplen y es necesario realizar una modificacioacuten en el talud con el fin de
obtener estabilidad en la estructura El procedimiento para la obtencioacuten del
valor de cohesioacuten se realiza como se muestra en la figura 26 Valor de
cohesioacuten para un CH con ru=00 en condicioacuten estaacutetica para aacutengulos de
30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y 05 en
condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
85
86
87
88
89
Fuente propia
6 A traveacutes de este proceso se obtienen los resultados que se muestran en el
anexo 4Valores de cohesioacuten para suelos expansivos
90
8 ANALISIS DE RESULTADOS
A continuacioacuten se presentan los resultados y anaacutelisis de comportamiento de los
taludes compuestos por suelos expansivos Dichos resultados se asocian al valor
de factor de seguridad de los modelos disentildeados en el software Slidereg de
acuerdo a paraacutemetros geomecaacutenicos descritos en el titulo 73 Seleccioacuten de
paraacutemetros encontrados en el libro Expansive Soils de Amer Ali Al-Rawas amp
Mattheus FA Goosen de tal manera que los resultados se asocian a diferentes
condiciones como los son dinaacutemicos y estaacuteticos y cambios en el valor de ru con
respecto a alturas de 10 metros y 20 metros
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=0 en
CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 27 se analiza un comportamiento la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten en un 28 para estado
estaacutetico dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
91
expansivos siendo evidente que la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) tanto
para la altura de 10m como para la de 20m presenta un porcentaje de reduccioacuten
136 y 212 en comparacioacuten a los demaacutes tipos de suelos expansivos debido
a que tiene menor consistencia
Por lo tanto el limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor
aacutengulo de inclinacioacuten muestra un factor de reduccioacuten de 59 sin embargo su
factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada
a medida que aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas es menor
al aumentar la inclinacioacuten del talud FS disminuyendo de manera leve
En la graacutefica se evidencia que cerca de los 60deg de inclinacioacuten del talud para una
altura de 20 m MH y CH se comportan de manera similar con un factor de
seguridad de 101 y 096 equivalente al 55 respectivamente lo que indica
inestabilidad seguacuten la norma NSR-10 Tiacutetulo H Tabla H69-1 donde se especifica
que la estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetico debe ser
de 150 Mientras que en un talud de 10 m cerca de los 45deg de inclinacioacuten tanto el
MH como el CH presentan un comportamiento similar con un factor de seguridad
de 2 cumpliendo el factor miacutenimo que rige la Norma NSR-10
Al observar en la graacutefica la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) en un talud
de 20 m a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten presenta inestabilidad auacuten en condicioacuten
estaacutetica y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru
Finalmente en condiciones estaacuteticas y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru el material
oacuteptimo es CH solo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier
inclinacioacuten muestra estabilidad con un factor de reduccioacuten del 28 Cumpliendo
con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
92
Es asiacute como es preciso aclarar que en cualquier caso el FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 28 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y el paraacutemetro ru dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un talud de altura de 20m
cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 correspondiente a
150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo representa con
paraacutemetro ru el cual afecta de manera directa al talud
Uno de los factores de gran importancia es la geometriacutea que representa el talud
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
93
debido a que para un talud de 10 m hasta 20 metros el factor de reduccioacuten oscila
entre el 40 al 60
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo su factor de seguridad
disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada a medida que
aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas (C) es menor al
aumentar la inclinacioacuten del talud el FS disminuye de manera leve Este
comportamiento continua siendo caracteriacutestico de este material pues al ser
comparado con la Figura 27 el material es inadecuado no solo al aumentar la
inclinacioacuten sino tambieacuten a la presencia de agua en el suelo
En la graacutefica se puede evidenciar que cerca de los 50deg de inclinacioacuten para una
altura de 20 m MH y CH se comportan con un valor de 17 de manera diferente
quiere decir que su porcentaje restante su comportamiento es igual Sin llegar a
cumplir con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de 10 m
cerca de los 30deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CH presentan un
comportamiento similar cumpliendo con FS=21
Finalmente en condiciones estaacuteticas y con ru=025 el material oacuteptimo es CH
soacutelo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra
estabilidad modificado con el 28 de probabilidad Cumpliendo con el valor
miacutenimo establecido en la NSR-10
Entonces es preciso aclarar que en cualquier caso FS inversamente proporcional
al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
94
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 29 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y en condicioacuten criacutetica de saturacioacuten con ru=05
dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un
talud de altura de 20m cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-
10 correspondiente a 150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo
afecta de manera directa al talud y al comportamiento mecaacutenico del suelo
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 ESTAgraveTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
95
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material genera
condiciones inadecuadas no solo al aumentar la inclinacioacuten sino tambieacuten a la
presencia de agua en el suelo En donde se evidencia que para un CH con
presencia de ru= 00 hasta ru=05 su factor de reduccioacuten se ve modificado en un
1 mientras que para MH da un valor de 1982 y para un CL de 01
Cabe resaltar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para una altura de 20 m MH y
CH se comportan de manera similar con un FS=100 lo que indica estabilidad
pero no cumple con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de
10 m cerca de los 70deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CL presentan un
comportamiento similar con FS=125 A partir de eacuteste uacuteltimo anaacutelisis es importante
aclarar que el MH ya no se relaciona con el comportamiento del CH sino del CL
Finalmente en condiciones estaacuteticas y condicioacuten criacutetica de ru=05 el material
oacuteptimo sigue siendo CH como en los casos anteriores pero solo en un talud de
10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con factores
de reduccioacuten que no cambian bruscamente si no que oscilan entre el valor de
338 hasta 332 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo lo descrito anteriormente indica que en cualquier caso se analiza que el
FS es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
96
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=000
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 30 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
dinaacutemica con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica de 025 descrito en la
seleccioacuten de valores de sismo (iacutetem 732) del presente proyecto ninguno de los
materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m de
altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo afecta de
manera directa al talud
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
97
El MH es el material que a menor aacutengulo de inclinacioacuten de 51ordm en condiciones
dinaacutemicas muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material presenta
comportamientos mecaacutenicos deacutebiles no solo al aumentar la inclinacioacuten sino
tambieacuten a la presencia de un sismo lo cual se evidencia en el 187 con ru=00
y se evidencia en ru=05 con un porcentaje de 669
De tal manera se evidencia que a los 45deg de inclinacioacuten para el MH en un talud
de altura de 20 m y un CL con un talud de 10 m de altura se comportan de
manera similar comparaacutendolo con una diferencia del 08 de tal manera que a
pesar de sus diferencias dichos factores le generan inestabilidad a el talud Por
lo tanto para un aacutengulo de inclinacioacuten de 30deg y una altura 10 m su inferencia con
respecto al factor de seguridad es del 1 cumpliendo asiacute para los valores
descritos en la matriz de resultados con la NSR-10
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo sigue siendo CH como
en los casos anteriores ya que cumple con el 313 pero solo en taludes de 10
m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre
1242 y 146 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo ello indica que en cualquier caso se analiza que FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura aun en condiciones dinaacutemicas
98
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 31 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales que se analizan en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de
10 m de altura cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo y de agua en el
suelo afecta de manera directa al talud teniendo en cuenta que el factor de
reduccioacuten para un CH es de 505 en condiciones de 75ordm de inclinacioacuten
mientras que para MH es mayor pues es de 628 y para el CL de 504
De esta manera se observa que a los 60deg de inclinacioacuten para el MH y el CL en un
talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un factor de
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
99
reduccioacuten de 256 lo que indica inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta
para todos los materiales en un talud de 20 m de altura y en una altura de 10 m
para los CL
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo continuacutea siendo CH
como en los casos anteriores pero solo en un talud de 10 m de altura puesto que
frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre 1238 y
1454 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10 Sin embargo el
MH tambieacuten se comporta de manera adecuada hasta inclinaciones de 60deg puesto
que bajo estas condiciones presenta FS entre 1131 y 1307
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 32 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
100
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m
de altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 esto se
debe a que la presencia de sismo y de agua en el suelo afecta de manera directa
al talud siendo el factor de reduccioacuten para las arcillas cercano al 1 mientras que
para los limos da superior al 20
Es asiacute como se puede observar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para el MH y
el CL en un talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un
porcentaje igual de 447 lo que con lleva a que el comportamiento mecaacutenico del
suelo no es igual y genera inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta para
todos los materiales en un talud de 20 m de altura y el CL en una altura de 10 m
En condiciones dinaacutemicas el material con las mejores caracteriacutesticas se suelo es
el CH como en todos los casos mencionados anteriormente pero solo en un talud
de 10 m de altura puesto que frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra
estabilidad con FS entre 1233 y 1447 Sin embargo el MH tambieacuten se comporta
de manera adecuada hasta inclinaciones de 45deg puesto que bajo estas
condiciones presenta FS entre 1111 y 1139
Es asiacute como se concluye que FS es inversamente proporcional al aacutengulo de
inclinacioacuten a la altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica al ser comparado
entre los modelos con las diferentes condiciones de sismo
Es evidente la influencia que tiene la presencia de agua en los suelos expansivos
a continuacioacuten se presenta un anaacutelisis del comportamiento de los suelos ante la
variacioacuten del paraacutemetro ru para taludes con una altura de 10m con el fin de
analizar cuaacutel de estos materiales se ve maacutes afectado por dicho paraacutemetro
101
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 33 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad (FS) de manera
insignificante al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y 05 con
factores de reduccioacuten de 392 hasta 328 desde 30ordm de inclinacioacuten hasta 75ordm
respectivamente cumpliendo con el factor de seguridad descrito en la NSR-10
(15 en condicioacuten estaacutetica) A diferencia del limo inorgaacutenico de alta plasticidad
(MH) que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a medida que
aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS entre 2416 y 1937 Por otro lado la
arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH) disminuye FS de 2127 a 2105 a medida
que aumenta el paraacutemetro ru
A partir de lo mencionado es claro que el factor de seguridad es inversamente
proporcional al paraacutemetro ru puesto que a mayor presencia de agua en el suelo
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
000 020 040 060
FS
RU
30ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
102
menor factor de seguridad el cual se hace evidente en el cambio que se presenta
para los diferentes materiales que como ejemplo se cita del CH que para un
aacutengulo de 30ordm 10 metros de altura con ru=0 hasta 05 brinda un factor de
reduccioacuten del 1034
Se evidencia que el CH tiene un comportamiento constante frente al cambio del
factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas cumplen con respecto al valor
brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se establece
a 105 pues los valores del FS oscilan entre 1460 hasta 1447 que comparado
con el material de MH para un aacutengulo de 30ordm la diferencia estaacute en un 1306
mientras que para el CL es de 309
El CL el FS es de 0909 hasta 0906 donde el ru=00 y ru=05 teniendo
posibilidades altas de falla con respecto a los materiales CH y MH siendo
afectado cada uno de los suelos por la condicioacuten dinaacutemica que hace a los
materiales propensos para que ocurra fenoacutemenos por remocioacuten en masa
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 30deg y una altura de 10 m
todos los materiales son oacuteptimos siendo MH el mejor de ellos representado en
porcentajes de 1982 hasta el 3914 Mientras que en dinaacutemico el CL No
cumple en ninguacuten momento con los paraacutemetros establecidos por la norma sismo
resistente mientras que los otros materiales si hasta cierto aacutengulo de inclinacioacuten
como se especifica en el anexo 3 Modelacioacuten adecuada para taludes compuestos
por suelos expansivos
103
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 45deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 34 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad a medida que
aumenta el contenido de agua en el suelo al igual que el CH y MH
De tal manera que para el material CH los valores de ru=00 entre el 1 al 29
esto se debe a que la modificacioacuten que le pueda llegar a generar el agua al suelo
es miacutenima frente al resto de materiales pues en el MH da un valor del 30 Lo
cual indica que existe un paso raacutepido del agua por las partiacuteculas del suelo
generando asiacute que en condicioacuten estaacutetica para una inclinacioacuten de 45deg el CL no
cumpla con respecto al factor de seguridad de la norma NSR-10 mientras que
MH y CL si siendo CH el material maacutes oacuteptimo para estas condiciones de talud
Se infiere que al aumentar el aacutengulo a 45ordm el factor de seguridad disminuye
siendo dicho valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0500
1000
1500
2000
2500
000 020 040 060
FS
RU
45ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
104
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 se observa que para los
suelos CH y MH cumple para el aacutengulo de 45ordm mientras que para el suelo CL no
cumple con dicha condicioacuten cuando presenta un fenoacutemeno de sismo
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 60deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 35 se evidencia que CL describe un comportamiento constante que
disminuye FS en un 27 al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y
05 con FS entre 024 a 044 respectivamente incumpliendo la NSR-10 A
diferencia del MH que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
000 020 040 060
FS
RU
60ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
105
medida que aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS Por otro lado en el suelo
compuesto por CH disminuye en 14 a medida que aumenta la condicioacuten de
agua
Se observa que el CH presenta un comportamiento constante frente al cambio
del factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas que cumplen con respecto al
valor brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se
establece a 105
De tal manera que el comportamiento para el MH se evidencia que el FS es
inversamente proporcional al factor ru debido que al aumentar las condiciones de
ru en el talud el FS disminuye cumpliendo con el valor miacutenimo descrito en NSR
10 hasta un ru de 04
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 45deg y una altura de 10 m
solo el CH y MH cumplen con el factor siendo materiales oacuteptimos para el disentildeo
siendo CH el mejor de ellos en condicioacuten dinaacutemico el CL no cumple con el factor
de seguridad miacutenimo establecido mientras que el CH es un material oacuteptimo para
las diferentes condiciones establecidas el MH en cambio cumple con aacutengulos
menores a 72ordm con un ru=025 mientras que en condiciones totalmente
saturadas cumple para aacutengulos de inclinacioacuten menores a 59ordmcomo se evidencia
en el anexo 3modelacioacuten adecuada para taludes compuestos por suelos
expansivos
106
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 75deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
En la figura 36 se evidencia que para condiciones estaacuteticas el FS se cumple
para el material de CH mientras que para los otros materiales de MH y CL no
cumple con las condiciones debido a que se encuentra por debajo de lo
establecido que es de 15 con la altura de 10 m De esta manera se evidencia en
los tres materiales que el FS es inversamente proporcional al ru con cambios de
08 en el valor del ru=0 hasta un 15 para un CH mientras que para el MH
varia entre el 2488 hasta el 3734 y para un CL la variacioacuten es de 018 a
025 pues entre mayor es dicho coeficiente menor es el factor de seguridad
Siendo afectado igualmente por el aacutengulo de inclinacioacuten y la geometriacutea del talud
Es asiacute como se infiere que al aumentar el aacutengulo a 75ordm el factor de seguridad
disminuye siendo el valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
000 020 040 060
FS
RU
75ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
107
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 cuando se encuentra
amenazado por un factor de sismo se observa que para los suelos CH cumple
para el aacutengulo de 75ordm mientras que para el suelo MH cumple hasta condiciones
de ru= 01 lo que indica que para condiciones de ru= 025 04 y 05 no cumpliriacutea
con dicha condicioacuten es asiacute como se observa el CL no cumple las condiciones
miacutenimas para el factor de seguridad en condiciones dinaacutemicas
Al realizar los diferentes modelos con las condiciones descritas se observa que el
paraacutemetro geomecaacutenico que modifica el comportamiento de los suelos expansivos
presentes en un talud es la cohesioacuten por lo tanto se ejecuta sensibilizacioacuten del
paraacutemetro y se hace una anaacutelisis del comportamiento que presenta frente a
cambios de geometriacutea y paraacutemetro ru de donde se observa que de los valores
descritos en el anexo 4 Para un ru establecido con una altura y aacutengulos
seleccionados se debe tener una cohesioacuten mayor al valor presentado en la tabla
pues se tiene en cuenta que a partir de un factor de seguridad en condiciones
estaacuteticas 15 los valores de cohesioacuten deben estar por encima de dicho valor
mientras que en condiciones dinaacutemicas deben estar por encima del valor de 105
lo que indica que entre mayor sea el valor de cohesioacuten a los valores determinados
mayor seraacute la atraccioacuten y unioacuten de las partiacuteculas del suelo evitando asiacute que se
presente un proceso de remocioacuten en un talud aumentando respectivamente el
factor de seguridad
108
9 CONCLUSIONES
Se definieron los paraacutemetros geomecaacutenicos de los materiales que se analizan en
cada una de las modelaciones (arcillas y limos) a partir de la informacioacuten descrita
en los antecedentes del presente trabajo de grado Gracias al libro de Amer Ali Al-
Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soil En Effect of remolding
techniques on soil swelling and shear strength properties Londres Taylor amp
Francis e-Library 2006 a partir del cual se obtiene detalle sobre los
comportamientos de suelos expansivos en taludes de tal manera que se ejecutan
diferentes modelaciones en las que se tienen en cuenta cambios en la geometriacutea
con el fin de comparar los factores de seguridad a traveacutes de graacuteficas de las cuales
se concluyoacute
El factor de seguridad es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la
altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica de donde se observa
detalladamente la influencia de la altura en el disentildeo del talud en el cual se
identifica que para alturas de 20 m conformado por este tipo de suelos bajo esta
condiciones de modelacioacuten los factores de seguridad tanto en condiciones
dinaacutemicas como estaacuteticas estaacuten por debajo del valor descrito en la Norma Sismo
Resistente Colombiana tiacutetulo H tabla H69-1 en donde se especiacutefica que la
estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetica debe ser de 150
y para condicioacuten dinaacutemica 105 sin embargo para los taludes con alturas de 10 m
se identifica que los suelos compuestos por arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(MH) son materiales con excelentes comportamiento en condicioacuten estaacutetica y
dinaacutemica mientras que el limo inorgaacutenico de alta plasticidad es oacuteptimo en
condiciones criacuteticas con sismo y ru=05 para inclinaciones de 45deg o menores y
con sismo y ru=025 inclinaciones de 60deg o menores
109
La arcilla de alta plasticidad (CH) contiene una cohesioacuten mayor comparada a la
de la arcilla de baja plasticidad (CL) y al limo de alta plasticidad (MH) lo que
indica una mayor resistencia a la presencia de agua lo que genera mayor
estabilidad en el talud asiacute mismo el CH por presentar un valor de liacutemite liacutequido
mayor es susceptible al cambio de estado de plaacutestico a liacutequido contrario a lo que
sucede con el MH ya que su liacutemite plaacutestico es mayor al resto de los suelos debido
a esto es susceptible al cambio de estado de semi-soacutelido a plaacutestico De igual
manera para que la arcilla de alta plasticidad cambieacute de estado es necesario que
el suelo presente un mayor valor de ru=05 que en suelos expansivos este valor
es hasta 067
Para las modelaciones que se realizan en el presente proyecto se utiliza el
software Slidereg el cual resulta de faacutecil manejo con respecto al anaacutelisis del factor
de seguridad en diferentes condiciones de ru en estado dinaacutemico y sismo Asiacute
mismo el meacutetodo utilizado (Bishop simplificado) es un meacutetodo que a pesar de solo
satisfacer el equilibrio de momentos y no cumplir con la totalidad de las
ecuaciones de la estaacutetica presenta exactitud frente a los resultados que se
obtienen en comparacioacuten al meacutetodo ordinario El cual utiliza las dovelas en donde
se tiene en cuenta las fuerzas entre las mismas siendo el maacutes utilizado para
calcular el factor de seguridad de los taludes la uacutenica restriccioacuten que presenta es
que solo considera las superficies de falla circulares
Con respecto al aacutengulo de inclinacioacuten en un talud el mismo tiene una afectacioacuten
directa del factor de seguridad ya que a medida que la reconformacioacuten geomeacutetrica
del talud aumenta se genera una condicioacuten de inestabilidad directa con respecto
a la geometriacutea lo que se evidencia en las graacuteficas para un talud de 30ordm a 75ordm
respectivamente en un 28 en estado estaacutetico y un 16 en estado dinaacutemico para
un MH en estado estaacutetico es un factor de reduccioacuten de 59 mientras que en
dinaacutemico es del 42 y para CL es de 27 para dinaacutemico y estaacutetico
110
10 RECOMENDACIONES
Dentro de las recomendaciones se exponen las diversas limitaciones existentes en
cuanto a paraacutemetros geomecaacutenicos que se usan en las modelaciones y los
meacutetodos para observar el comportamiento mecaacutenico del suelo y el caacutelculo del
factor de seguridad
Para los paraacutemetros geomeacutetricos de los taludes modelados se recomienda el
disentildeo de taludes de 45deg a 60deg dependiendo del espacio del terreno ya que una
mayor inclinacioacuten implica mayores costos y el talud se hace susceptible a sufrir
procesos de remocioacuten en masa Asiacute mismo se recomiendan alturas de 10 m para
este tipo de suelos expansivos ya que mostraron mejores factores de seguridad
Cuando se tiene presencia de limos de alta plasticidad se hace necesario tener
inclinaciones en los taludes menores a 67ordm con alturas de 10m y Ru=0 mientras
que para un Ru=025 se recomienda hacer el disentildeo de un talud con una
inclinacioacuten menor a 51ordm y en estado dinaacutemico con una inclinacioacuten menor a 72ordm y
con un Ru=05 menor a 59ordm con el fin de que cumpla con los criterios descritos en
la Norma Sismo Resistente Colombiana titulo H
Para obtener el disentildeo de un talud en el presente proyecto de grado se
recomienda tener precisioacuten en el suelo sobre el cual se vaya a disentildear debido a
que se presenta los paraacutemetros geomecaacutenicos para resultados de factores de
seguridad que dependen por completo de la definicioacuten de los mismos y al
variarlos no se comportaraacuten de la manera en que se analizoacute en el presente trabajo
de grado Esto se comprueba durante la modelacioacuten realizada debido a que se
generan diferentes modelos con diferentes paraacutemetros geomecaacutenicos no
mencionados en el presente trabajo pero si tenidos en cuenta para la seleccioacuten
de los mismos
111
En la modelacioacuten de taludes del proyecto se utilizoacute el meacutetodo de Bishop
Simplificado para la modelacioacuten en el software Slidereg de tal manera que la
modelacioacuten queda abierta a la utilizacioacuten de los diversos meacutetodos existentes
112
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114
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H5Excavaciones y estabilidad de taludes
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Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de Campoalegre ndash Ciudad de
Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
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1
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDAD
Fuente propia
ANGULO
(ordm) H(m) RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05
10 136 80 08 212 309 304 377 374 136 79 07 213 392 244 382 204 392 244 382 205 309 304 377 374
20 525 178 17 202 290 273 281 270 525 143 452 52 535 364 505 306 534 364 505 306 290 273 281 270
10 08 178 17 201 308 304 372 368 08 178 17 202 313 154 361 207 313 154 361 208 308 304 372 368
20 236 90 310 57 316 308 312 303 236 89 310 57 440 239 475 260 447 240 475 260 316 308 312 303
10 86 266 72 240 308 305 355 352 86 266 72 240 243 54 305 147 244 54 305 147 308 306 355 352
20 55 253 176 173 350 343 291 282 55 254 176 174 384 119 397 131 384 119 397 131 349 343 291 282
10 156 361 109 304 309 305 331 327 156 361 19 34 182 88 249 33 182 88 249 33 309 305 331 327
20 23 367 104 298 312 303 313 304 23 368 104 298 328 101 378 10 328 101 378 10 312 304 314 305
ANGULO
(ordm) H(m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICOESTAacuteTICO DINAgraveMICO RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 10 09 1982 2250 020 033 313 313 413 412 380 381
20 29 20 1333 2900 191 061 338 332 369 385 329 329
10 08 09 1908 1940 022 022 295 295 312 316 359 324
20 17 19 2760 2940 043 064 328 340 288 363 360 325
10 07 07 2025 1860 024 023 257 257 245 200 306 306
20 14 17 3026 3093 032 044 323 325 245 252 262 262
10 08 07 2488 2249 018 010 198 200 152 124 223 222
20 15 15 3914 3734 037 025 246 246 187 163 248 24775
45
60
462
475
472
516505
546
578
633
503
502
503
504
ALTURA DE 10 metros A 20 metros
460
473
526
535
527
551
574
628
CH MH CL
528
502
478
521
CH MH CL
DE ESTAacuteTICO A DINAacuteMICO
RU=00 A RU=05
CL
ESTATICO DINAMICO
RU=00 A RU=05 RU=00 A RU=05
CL
MH CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
CAMBIO DE RU
MH
30
MH
CH CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTATICO DINAMICO
30
45
60
75
CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
MH CL
ESTATICO DINAMICO
116
2
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA GEOMETRIacuteA
Fuente propia
H (m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 28 16 59 42 27 27
20 26 16 69 59 9 18
CH MH CL
CON INCLINACIONES DE 30ordm A 75ordm
117
3
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
Fuente propia
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
NO CUMPLE
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X lt669ordm X lt59ordm X lt51ordm X X X X X X X lt72ordm X lt59ordm
NO CUMPLE gt67ordm gt60ordm X gt52ordm X gt73ordm gt60ordm X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
10 CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
10
20
RU=00 RU=025 RU=05RU=00 RU=025 RU=05
20
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
10
20
CL
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
118
4
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOS
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 325 352 39 45 33 36 39 46 36 38 43 50 34 36 395 465 335 36 40 465
MH C(Knm2) 15 235 31 42 23 32 39 44 20 27 36 475 23 30 38 51 223 31 40 52
CL C(Knm2) 39 42 49 58 36 39 42 50 33 35 39 45 36 385 425 495 359 389 43 495
DINAacuteM
ICA
RU RU RU RU RU
ESTAacuteTI
CARU RU RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
RU
0 01 025 04 05
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 34 353 36 392 34 35 36 391 34 352 37 40 34 353 37 40 34 353 37 40
MH C(Knm2) 0 0 0 328 0 0 30 347 0 0 32 375 0 31 348 408 30 33 36 425
CL C(Knm2) 404 42 424 443 404 42 425 442 40 418 42 442 405 42 424 442 408 419 42 442
DINAacuteM
ICA
RU RU
04 05
RU
025
ANGULOS (ordm)ANGULOS (ordm)
0
RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
01
ANGULOS (ordm)
119
12
Iacutendice de plasticidad diferencia numeacuterica entre el Limite Liquido y el Limite
Plaacutestico Define el campo plaacutestico de un suelo y representa el porcentaje de
humedad que deben tener las arcillas para conservarse en estado plaacutestico
Inestabilidad desequilibrio fluctuacioacuten e inconsistencia de un terreno cuando es
afectado por agentes externos
Limite liacutequido es el contenido de agua expresado en porcentaje respecto al
peso del suelo seco que delimita la transicioacuten entre el estado liacutequido y plaacutestico de
un suelo remoldeado o amasado
Liacutemite de contraccioacuten contenido de humedad por debajo del cual se produce
una reduccioacuten adicional de volumen o contraccioacuten en el suelo
Ladera declive lateral de un terreno cuya pendiente se conforma a traveacutes del
aacutengulo que se formoacute con la horizontal
Sensitividad proporcioacuten de la resistencia a compresioacuten simple en estado
inalterado entre la del estado remoldeado
Sensibilidad de paraacutemetros geoteacutecnicos es el anaacutelisis del comportamiento de
las propiedades que influyen en la estabilidad de taludes
Suelo parte superficial de la corteza terrestre bioloacutegicamente activa que proviene
de la desintegracioacuten o alteracioacuten fiacutesica
Suelos colapsables son los suelos que presentan un cambio de relacioacuten entre
presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia uacuteltima
del material A este grupo pertenecen las arcillas cementadas los limos y rocas
13
de gran porosidad
Suelo expansivo es un tipo de suelo capaz de producir un aumento de volumen
en relacioacuten con los cambios de humedad que puedan llegar a presentarse Dichos
materiales tienen la capacidad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla
debido a su estructura
Suelos desmoronables suelos en los que sin la presencia o cambio de
condiciones son capaces de producir colapso donde no existe un cambio abrupto
en relacioacuten presioacuten-deformacioacuten La saturacioacuten produce un cambio volumeacutetrico
debido al incremento de presioacuten de poros que origina la resistencia al corte del
suelo
Talud porcioacuten de tierra elevada de dimensiones variables generalmente
rematando por una cuneta y caracterizado por una vegetacioacuten especiacutefica Dicho
elemento es construido con el tiempo pero tambieacuten puede ser producto de la
ejecucioacuten realizada con una construccioacuten artificial con tierra o piedra de tal
manera que es conformada con cualquier superficie inclinada respecto a la
horizontal
Terreno porcioacuten de espacio generalmente plano de tierra en el cual no se tiene
nada construido de tal manera que se trata de un aacuterea en la que no existe un
edificio o algo que cubra la superficie del mismo
14
INTRODUCCIOacuteN
Uno de los problemas caracteriacutesticos de la ingenieriacutea civil es la estabilidad de
taludes ya que los suelos presentan comportamientos dependiendo de la
estructura que lo componen y de los factores tanto extriacutensecos como intriacutensecos
generando movimiento de tierras que pueden terminar siendo generadores de
procesos de remocioacuten en masa como deslizamientos debidos a fallas rotacionales
o traslacionales o caiacutedas de rocas y detritos generando afectaciones socio-
econoacutemicas a la regioacuten Por ello es importante abordar temas como la estabilidad
de taludes en suelos expansivos como lo son la arcilla de alta plasticidad (CH)
arcilla de baja plasticidad (CL) y limo de alta plasticidad (MH) con el fin de
identificar el comportamientos de dichos suelos ante variables geomeacutetricas de
nivel freaacutetico y sismo A partir de las propiedades geomecaacutenicas de los suelos
expansivos en estudio se modelan los taludes de los diferentes perfiles
estratigraacuteficos con la correspondiente asignacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos
por medio del software Slide reg en el que al variar las condiciones de sismo y
contenido de agua se analiza la influencia que tienen en el factor de seguridad del
talud
La escasez de informacioacuten en el tema del comportamiento de suelos expansivos
genera la importancia necesaria para estudiar y analizar el tema a profundidad
creando herramientas dirigidas a ingenieros civiles tanto en campo como en
oficina para disentildeos oacuteptimos de taludes
15
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El territorio colombiano presenta variedad de suelos expansivos por su
complejidad en el comportamiento mecaacutenico se hace necesario conocer la
inestabilidad que pueden presentar principalmente este tipo de suelos1 Es asiacute
como en varias zonas de Colombia se evidencian climas friacuteos-secos lo que
ocasiona una condicioacuten de sequedad que hace que algunos tramos en los taludes
presenten caracteriacutesticas de suelos expansivos2 que se caracterizan por tener
liacutemites miacutenimos y maacuteximos de contenido de humedad entre los cuales se
presenta la expansioacuten y contraccioacuten
De esta manera se identifica que los suelos compuestos por arcillas y limos que
son capaces de retener gran cantidad de agua debido a su estructura este
proceso induce a movimientos que generan grietas y asentamientos del terreno
afectando directamente el comportamiento del suelo problema que se acusa con
los cambios estacionales debido a los ciclos de humedecimiento-secado asiacute
como la ascensioacuten de nivel freaacutetico3 de tal manera que esto presenta un riesgo
para los usuarios de las viacuteas que presentan esta tipologiacutea de material Otra de las
amenazas se identifica cuando ocurre un sismo debido a que estos suelos
tienden a transmitir las ondas del sismo con rapidez y amplitud lo que llega a
generar colapso del talud4
1 MALAGOacuteN CASTRO D Ensayo sobre tipologiacutea de suelos colombianos -Eacutenfasis en geacutenesis y aspectos
ambientalespg371 2 LEOacuteN SICARD Tomas Enrique Estado del Recurso del Suelo [en liacutenea]
lthttpwwwunperiodicounaleducodperarticleagroquimicos-envenenan-suelos-en-colombiahtmlgt [Citado en 9 de noviembre de 2013] 3ASEFA Patologiacuteas por arcillas expansivas Naturaleza y comportamiento [en liacutenea]
lthttpwwwconcretonlinecomindexphpoption=com_contentampid=3179ampItemid=27gt [citado en 5 agosto del 2015]
4CINNA LOMNITZ Las causas probables de la cataacutestrofe siacutesmica del 19 de septiembre de 1985 Instituto de Geofiacutesica
UNAM Ciencia y desarrollo septiembreoctubre 1988 Vol XIV Nuacutem 82 CONACYT
16
Es asiacute como en varios lugares se han reportado movimientos en masa como
deslizamientos y fallas rotacionales en los cortes realizados en laderas debido a
la inestabilidad generada por los materiales de los que se encuentran compuestos
los suelos5
Debido a lo anterior se requiere hacer un estudio a los suelos expansivos los
cuales se identifican mineraloacutegicamente con la determinacioacuten de propiedades
baacutesicas tambieacuten a traveacutes de meacutetodos indirectos del potencial expansivo y
medidas directas de la expansioacuten esto con el fin de observar las caracteriacutesticas
geomecaacutenicas en la ejecucioacuten de taludes seguacuten los factores baacutesicos miacutenimos
descritos en la norma sismo resistente (NSR-10) Titulo H241
Es importante conocer iquestCuaacutel es el comportamiento de los paraacutemetros
geomecaacutenicos de taludes compuestos por suelos expansivos ante variables de
nivel freaacutetico geomeacutetria y sismo
5SEMANA NACIOacuteN Noticia Hay 22 cierres en viacuteas nacionales y 47 regionales [en liacutenea]
lthttpwwwsemanacomnacionarticulo25 de abril del 2011gt[citado en 5 de agosto del 2015]
17
2 ANTECEDENTES
Uno de los temas de mayor intereacutes en la Ingenieriacutea Civil es la estabilidad del
suelo debido a sus inesperados y diferentes comportamientos para los cuales se
hace necesario el estudio y anaacutelisis taludes con el fin de lograr estabilidad y
factores de seguridad oacuteptimos cuando se encuentran compuestos por suelos
expansivos
Se han presentado diferentes casos en donde se vuelve indispensable realizar
una caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes para el anaacutelisis de la vulnerabilidad
que tiene un sitio referente a un talud en donde se cuenta con aspectos que
definen la amenaza asociada valores encontrados para la vulnerabilidad fiacutesica6
metodologiacutea para la cual se determina el riesgo asociado a dicha vulnerabilidad
En torno a este tema en particular la mayoriacutea de las investigaciones trabajan de
forma aislada la amenaza la vulnerabilidad y no evaluacutean en forma precisa el
riesgo por la accioacuten de procesos de remocioacuten en masa que desestabilizan los
taludes con base en el esquema de la caracterizacioacuten geomecaacutenica de taludes es
posible desarrollar una metodologiacutea que evaluacutee el riesgo asociado a inundaciones
sismos vientos o realizar una metodologiacutea integral que involucre todas esas
variables7
En Colombia se presentan casos diversos de falla en viacuteas un ejemplo es la falla
que ocurrioacute en la viacutea Manizales ndash Mariquita Tramo 5006 Debido a la inadecuada
entrega de la alcantarilla presente en ese sitio esto produjo socavacioacuten en el talud
inferior de la viacutea quitaacutendole el soporte al muro ocasionando su volcamiento Ello
6 HERNANDEZ Yelena Caracterizacioacuten y anaacutelisis de la amenaza y vulnerabilidad Fiacutesica por taludes y laderas inestables
en la micro Cuenca de la quebrada Cay Ibagueacute Universidad del Tolima Departamento del Tolima Maestriacutea en
planificacioacuten y manejo ambiental de cuencas 2013 pg 119
7 ibiacuted p 119
18
acelero la rotura de un acueducto veredal que satura el relleno causando paso
restringido de vehiacuteculos a un solo carril8 El objetivo de este estudio fue identificar
las diferentes formas de estabilizacioacuten y plantear la solucioacuten definitiva
correspondiente a un sistema de estructura que consta de pilotes metaacutelicos
generando estabilizacioacuten del talud
La Universidad Nacional incluye en un estudio realizado como parte de la
caracterizacioacuten fiacutesica algunas teacutecnicas para el anaacutelisis de la composicioacuten
mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y propiedades
iacutendice en las arcillas de Barranquilla En donde se tomoacute como base el cambio
volumeacutetrico descrito en la mayoriacutea de investigaciones y como aporte al
conocimiento del comportamiento expansivo de las arcillas del distrito de
Barranquilla (Colombia) con desarrollo de un programa experimental orientado a
caracterizar sus propiedades fiacutesicas micro-estructurales y de comportamiento
geoteacutecnico en muestras naturales inalteradas La caracterizacioacuten fiacutesica incluye
composicioacuten mineraloacutegica tamantildeo de partiacuteculas peso especiacutefico de soacutelidos y
propiedades iacutendice la microestructura de muestras naturales se analiza
cualitativamente usando teacutecnicas microscoacutepicas (oacuteptica y electroacutenica de barrido) y
deducciones indirectas a partir de curvas de retencioacuten de agua (CRA) por uacuteltimo
el comportamiento geomecaacutenico se enfoca en el estudio del cambio volumeacutetrico
en condiciones de humedecimiento - saturacioacuten y procesos de carga ndash descarga9
Alliacute se concluyoacute que el potencial de expansioacuten colapso bajo carga no depende
exclusivamente de la carga vertical aplicada antes de la saturacioacuten sino de las
condiciones de faacutebrica y succioacuten inicial del material esto difiere en lo que se
encuentra en estudios realizados en la zona10
8 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Evaluacioacuten del Comportamiento Geomecaacutenico de Arcillas en el Sector de
Campoalegre ndash Ciudad de Barranquilla Maestriacutea en Ingenieriacutea ndash Geotecnia 2014 pg 60
9 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
10 RODRIGUEZ CASTIBLANCO Edgar Opcit 83
19
Se han desarrollado variedad de estudios sobre el comportamiento de suelos
expansivos como ejemplo el libro Expansive Soils editado por Amer Ali Al-Rawas
ampMattheus FA Goosen en el cual se describen avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento de suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar inconvenientes causados por la presencia de
los mismos en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada por la
expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten que presentan
debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel freaacutetico Se analizoacute el efecto
de las teacutecnicas de remoldeo en el hinchamiento de suelos y las propiedades de las
fuerzas de cizallamiento que se presentan en los resultados de los efectos de
meacutetodos sobre la presioacuten por oleaje en el suelo resistencia a la compresioacuten
inconfinada Para lo cual se tomaron tres tipos de suelos CH CL y ML con
muestras inalteradas que fueron seleccionadas en la zona norte de Jordania con
una amplia gama de contenido de arcilla
Las propiedades fiacutesicas de estos suelos incluyendo la gradacioacuten el liacutemite plaacutestico
y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco maacuteximo y el
contenido oacuteptimo de agua se obtienen a traveacutes de las especificaciones con las
que cuentan las normas ASTM Las muestras de suelos perturbados y no
perturbados se obtuvieron de los lugares descritos en el paacuterrafo anterior y fueron
probadas en el laboratorio de mecaacutenica de suelos en Jordan Universidad de
Ciencia y Tecnologiacutea Los especiacutemenes remoldeados estaban preparados para la
compresioacuten inconfinada y los ensayos de hinchazoacuten utilizando tres teacutecnicas de
remoldeo dinaacutemicas estaacuteticas y amasado Esto con el fin de lograr un estudio en
el potencial de hinchamiento de ese tipo de suelos ante los diferentes ensayos La
evaluacioacuten de la presioacuten debida a la hinchazoacuten la inflamacioacuten potencial y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada se vio afectada por el meacutetodo de
remodelacioacuten
20
Por lo tanto de este ensayo se concluyoacute que las muestras inalteradas obtienen
valores altos de presioacuten de hinchamiento la remodelacioacuten dinaacutemica tuvo los
valores maacutes altos de la hinchazoacuten y la compresioacuten inconfinada seguido por la
fuerza estaacutetica y el remoldeo por amasado respectivamente de esta manera se
observa que el contenido inicial de agua afecta tanto a la presioacuten de la hinchazoacuten
como a la resistencia a la compresioacuten inconfinada
De esta manera se encuentra el desarrollo de otro estudio ejecutado en el libro de
Expansive Soils en donde se describe una serie completa de pruebas referidas a
la compresioacuten no confinada (UC) no consolidado no drenado (UU) triaxiales y
columna resonante (RC) se realizaron sobre muestras estabilizadas
quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del sureste de Arlington Texas
despueacutes de haber sido sometido a ciclos (WD) repetidos de humectacioacuten-secado
inducido artificialmente en el laboratorio los cuales arrojaron unos resultados que
se utilizaron para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo plazo la
rigidez el efecto de hincharse y su continua contraccioacuten brindoacute respuesta del
suelo tratado incluyendo resistencia a la compresioacuten no confinada sin olvidar
resistencia al corte moacutedulo de corte dinaacutemico y material de amortiguacioacuten Se
utilizoacute meacutetodos de estabilizacioacuten que incluyen sulfato resistente cemento Tipo V
baja en calcio clase F mosca ceniza cal viva mezclaacutendolas con fibras de
polipropileno Muestras de suelo que se trataron y fueron curadas durante 7 diacuteas y
despueacutes se sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la UC UU y RC
la prueba Un ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua
potable en la sala de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a
140 F Encargoacute caacutemaras wd que permiten el monitoreo de 1-D al hincharse y
encogerse siendo esta la respuesta durante wd repetido Una dosis -por peso del
10 de cemento Tipo V el cual brinda mejor rendimiento general bajo realizado
con el ensayo de la resistencia al corte sin drenaje En donde se halloacute que Las
cenizas presentan malos resultados en comparacioacuten a todos los estabilizadores
21
con una simultaacutenea disminucioacuten de la c y bajo continuo w - d Aunque los valores
de fibras de cal suelo tratado tienden a aumentar con wd repetido Sin embargo
todos los suelos tratados superaron suelo natural despueacutes de 32 ciclos wd con el
tipo del 10 V suelo con cemento tratado mostrando un mejor rendimiento c-
De tal manera que la presencia de agua en este tipo de suelos los hace menos
resistencia a el ensayo de compresioacuten a fuerzas cortantes o de cizallamiento
debido a que alteran su estructura interna generando comportamientos
inadecuados para el cuerpo ingenieril debido a que se veraacuten afectadas las
construcciones realizadas sobre los mismos de esta manera seraacute necesario hacer
un tratamiento de estabilizacioacuten para proveer caracteriacutesticas mecaacutenicas
apropiadas de los suelos expansivos 11
11
Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos expansivos
y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
22
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos
por suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo
32 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar paraacutemetros geoteacutecnicos para diferentes tipos de suelos 321
expansivos
Definir las condiciones de nivel freaacutetico y sismo de los taludes 322
compuestos por estos suelos
Evaluar el factor de seguridad para diferentes condiciones 323
geomecaacutenicas presentes en los taludes definidos
Comparar las variaciones encontradas para las propiedades 324
geomecaacutenicas en los distintos suelos
23
4 JUSTIFICACIOacuteN
Los suelos expansivos presentan algunas propiedades que pueden llegar a
generar variaciones en el comportamiento del suelo como los cambios
volumeacutetricos en presencia o ausencia de agua produciendo expansioacuten y
contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad portante y resistencia al corte
cuando se incrementa el contenido de agua
Al realizar cortes en laderas se presenta un cambio en la condicioacuten de resistencia
inicial del material lo que genera inestabilidad y un inminente riesgo el
comportamiento del suelo se analiza a traveacutes de la sensibilizacioacuten de paraacutemetros
que conduce a la mejora del factor de seguridad con respecto al disentildeo debido a
esto se llevoacute a cabo una comparacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes
los cuales brindaron soluciones oacuteptimas para el disentildeo de los mismos en suelos
expansivos
Es importante realizar el estudio de suelos expansivos y su comportamiento en
taludes ya que este tipo de suelos generan desplazamientos de materiales
Debido a que los suelos se hidratan y se hinchan estas condiciones se presentan
naturalmente tanto en eacutepocas de lluvia y en eacutepocas de sequia
Los riesgos que presenta en un proceso de estos son
Asentamientos en muros y cimientos
Deformacioacuten en los pavimentos y aceras
Movimientos de laderas
Roturas de cantildeerias y drenajes
Aparicioacuten de cavidades por disolucioacuten de sales
24
La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento de paraacutemetros
geomecaacutenicos en taludes ante variables de afectacioacuten para lo cual se realizan
aacutebacos que permitan identificar la manera en la que se ven afectados dichos
taludes y asiacute predecir su comportamiento por medio de programas de modelacioacuten
para el disentildeo de taludes con el fin de encontrar el factor de seguridad de disentildeo
y obtener las condiciones necesarias para la construccioacuten del mismo pensando en
el beneficio de la poblacioacuten
25
5 MARCO REFERENCIAL
El trabajo estaacute basado en la presentacioacuten de anaacutelisis sobre el comportamiento de
suelos expansivos en taludes con el fin de observar la inestabilidad del terreno el
cual se manifiesta mediante desplazamientos implicando ruina total o parcial de
sitios aledantildeos en donde se presenta este tipo de procesos de remocioacuten en masa
Este anaacutelisis conduce a un estudio referente a propiedades de los suelos que son
importantes las cuales generan cambios volumeacutetricos en presencia o ausencia de
agua produciendo expansioacuten y contraccioacuten respectivamente peacuterdida de capacidad
portante y resistencia al corte cuando se incrementa el contenido de agua
Es necesario tener presente conceptos como la composicioacuten y comportamiento
mecaacutenico de suelos expansivos que componen taludes asiacute mismo la afectacioacuten
que pueden generar estos suelos cuando son intervenidos por sismo y lluvia
Para el desarrollo de lo anterior se llevaraacute a cabo la presentacioacuten de los conceptos
tales como arcillas expansivas deslizamientos procesos de remocioacuten en masa
sensibilidad de paraacutemetros y anaacutelisis determiniacutestico
51 MARCO CONCEPTUAL
En el marco conceptual se establecen conceptos relacionados con la
investigacioacuten sobre la presencia de suelos expansivos como arcillas de baja alta
plasticidad y limos de alta plasticidad en taludes debido a que estaacute clase de
suelos tienen caracteriacutesticas de respuestas y comportamientos de expansioacuten y
contraccioacuten asociadas al humedecimiento y secado Por lo tanto la descripcioacuten
de estos comportamientos requiere el uso de un marco conceptual que incorpore
aspectos de anaacutelisis determiniacutesticos y meacutetodos de anaacutelisis con respecto al
comportamiento geomecaacutenico
26
Suelos Expansivos 511
Material susceptible que genera cambios de volumen los cuales se encuentran
directamente relacionados con cambios de humedad o variacioacuten con respecto al
contenido de agua La estructura del material retiene grandes cantidades de agua
lo que puede producir un aumento de volumen notorio12
El contenido de humedades un factor importante cuando se habla de la expansioacuten
de un suelo esto se presenta solo en los suelos expansivos como se observa en
la figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander cuando existen
variaciones climaacuteticas que influyen directamente en el comportamiento
generando grietas en el suelo13
Figura 1 Arcillas expansivas de Gramalote-Santander
Fuente httpgooglaVWI0V
12
INGSPATRONE J amp PREFUMO JE La accioacuten de los suelos expansivos sobre las cimentaciones meacutetodos de
prevencioacuten y control Paacuteg 1-16[en
linea]lthttpwwwumeduuy_upload_descargaweb_descarga_204_AccindesuelosexpansivosAntildeo 2004gt[citado en 5 de
agosto del 2015]
13 Ibidp12
27
5111 Identificacioacuten de suelos expansivos
Los suelos expansivos se identifican de manera visual por varias caracteriacutesticas
tienen alta plasticidad si se observan en el terreno se encontraraacuten grietas
ocasionadas por la expansioacuten y contraccioacuten constante que sufre dicha superficie
esto se presenta cuando hay variacioacuten de humedad14
La identificacioacuten mineraloacutegica es una de las principales formas por las cuales se
ubican los suelos expansivos debido a que los meacutetodos maacutes recomendados son
difraccioacuten de rayos x anaacutelisis teacutermico diferencial anaacutelisis quiacutemico absorcioacuten de
tinte y la microscoacutepica electroacutenica Las cuales consisten en detectar la presencia
de minerales arcillosos que resultan expansivos15
5112 Ensayos de identificacioacuten de suelos expansivos
Es necesario ejecutar una valoracioacuten frente al comportamiento que puede llegar a
presentar un suelo con presencia de arcillas y limos cuando es sometido a
diferentes situaciones donde se ve alterada su composicioacuten de tal manera que
los diferentes ensayos permiten hacer un acercamiento de lo que sucede en la
realidad y especialmente en casos donde el suelo presenta humedad La tipologiacutea
y descripcioacuten de este tipo de ensayos se presenta en la tabla 1 Ensayos y
laboratorios en suelos descrita a continuacioacuten
14
INGSPATRONE Jamp PREFUMO JE Opcit1-16
15Ibid p1-16
28
Tabla 1 Ensayos y laboratorios en suelos
ENSAYOS Y LABORATORIOS
DESCRIPCIOgraveN
Hinchamiento Libre
Se humecta el suelo permitiendo una expansioacuten vertical
de una probeta por lo que el confinamiento lateral impide
la deformacioacuten lateral se realiza sobre muestras
inalteradas saturadas
Determinacioacuten de la presioacuten maacutexima del
hinchamiento
Impide la expansioacuten vertical al aplicar tensioacuten vertical
necesaria que compensa dicho hinchamiento se realiza
sobre muestras inalteradas Y saturadas
Ensayo de Lambe
Consiste en la preparacioacuten de una probeta de suelo que
se compacta en condiciones estandarizadas de humedad
inicial de tal manera que se impide una expansioacuten lateral
confinaacutendola en un anillo Una vez producida la
inundacioacuten de la ceacutelula se determina la tensioacuten maacutexima
de tensioacuten mediante un anillo dinamomeacutetrico con el
bastidor quienes se encargan de ejercer la reaccioacuten ante
la fuerza de expansioacuten que manifiesta la muestra al
hinchar El valor de esta tensioacuten maacutexima de hinchamiento
permite una clasificacioacuten cualitativa del material en
funcioacuten de ciertos grados de expansividad
Ensayo de volumen de sedimentacioacuten
Este criterio fue dado por Holtz y Gibbs el cual se utilizaba
para averiguar el potencial de hinchamiento de un suelo
consiste en depositar 10 cm3 de suelo seco que pase por
el tamiz Nordm40 en un cilindro graduado con 100 cm3 de
agua y se observa el aumento del volumen de la muestra
una vez sedimentada debido al hinchamiento dio
resultado se expresa en porcentaje de aumento de
volumen respecto al volumen inicial del suelo
Liacutemite Liacutequido
Es el contenido de humedad para el cual el suelo pasa
de un estado liacutequido a plaacutestico el ensayo que permite
determinar el liacutemite liquido consiste en colocar diferentes
muestras de suelo con humedad variable en un
recipiente o taza metaacutelica accionada por medio de una
manivela que se encarga de levantarla y dejarla caer
29
Fuente compilacioacuten propia tomado de Ensayos sobre suelos expansivos[en
liacutenea]lthttpwwwestudiosgeotecnicosinfoindexphpensayos-laboratorio-suelos-expansivosgt [citado en 5 de agosto del
2015]
Liacutemite liacutequido
repetidas veces Antes de inicia el ensayo se realiza una
ranura de diferentes dimensiones con una espaacutetula
contando el nuacutemero de golpes con el fin de que la ranura
quede frac12 pulgada cerrada Dichos datos se grafican y
cuando la curva obtenida corta la liacutenea correspondiente a
los 25 golpes se considera este valor como el limite
liquido del suelo
Liacutemite Plaacutestico
Es el contenido de humedad para el cual se cambia del
estado plaacutestico al semisoacutelido de tal manera que en el
estado plaacutestico el suelo es semi moldeable mientras que
en el semisoacutelido se agrieta amoldaacutendose El limite plaacutestico
queda definido cuando el suelo contiene justo la humedad
necesaria para que al amasar manualmente bastoncitos
de 03 cm estos no se agrieten y se rompan
Liacutemite de Retraccioacuten
Este liacutemite queda determinado por la miacutenima cantidad de
agua necesaria para llenar los poros de una muestra de
suelo seco a este liacutemite corresponde el menor volumen de
la masa del suelo determinado por la frontera entre el
estado soacutelido y semisoacutelido En las arcillas este liacutemite
alcanza el 5 y el 10 lo que indica que la capacidad
portante se incrementa a medida que disminuye el
porcentaje de humedad
Ensayo de Triaxial
A traveacutes de esta prueba se identifican las propiedades
de tensioacuten- deformacioacuten del suelo en este ensayo una
muestra de suelo ciliacutendrica normalmente con una
relacioacuten de altura-diaacutemetro se somete a dos
incrementos de tensioacuten axial y radial dicha muestra se
encuentra protegida con una membrana y las tensiones
radiales son impuestas por una presioacuten de confinamiento
en todas sus caras Los esfuerzos axiales son impuestos
por un vaacutestago que penetra la caacutemara de confinamiento
hasta que se produce la rotura
30
De esta manera se hace necesario identificar los tipos de deslizamientos que se
presentan en taludes los cuales generan un proceso de remocioacuten en masa
afectando de manera directa la poblacioacuten a niveles sociales econoacutemicos entre
otros identificados en la tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Tabla 2 Tipos de remocioacuten en masa
Fuente Compilacioacuten propia del libro de Suarez Jaime Diacuteaz Deslizamientos y estabilidad de taludes
31
ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL
BLANDO
ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES
TIPO IMAGEN
MATERIAL HOMOGENEO
MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
Seguacuten la composicioacuten y estructura del talud se produce un tipo deslizamiento esto
puede observarse en la tabla 3Efectos de la estructura en la formacioacuten de
deslizamientos de rotacioacuten donde se describe el efecto del deslizamiento
causado seguacuten la estructura del talud
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Tabla 3 Efectos de la estructura en la formacioacuten de deslizamientos de rotacioacuten
32
Por lo tanto Los paraacutemetros geomecaacutenicos son elementos necesarios que ayudan
a la comprensioacuten del anaacutelisis con respecto al comportamiento del suelo en el
presente trabajo se hace el estudio de los paraacutemetros descritos en la tabla 4
Paraacutemetros geomecaacutenicos
Fuente Compilacioacuten propia tomada de Suarez Jaime Diacuteaz Capitulo 1 Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas
tropicales
Conociendo los paraacutemetros geomecaacutenicos que componen cada uno de los suelos
se identifica el concepto de remocioacuten en masa el cual es el desplazamiento de
grandes voluacutemenes de material superficial descrito de manera detallada en la
tabla 5Procesos de remocioacuten en masa
PARAacuteMETRO CONCEPTO ECUACIONES DESCRIPCIOacuteN
DENSIDAD
Relacioacuten entre la unidad de peso y la unidad de
voluacutemen de la fase soacutelida del suelo siendo maacutes o
menos constante ya que estaacute determinado por la
composicioacuten quiacutemica y mineraloacutegica de la fase
soacutelida
ρ=mV
ρ= densidad
m= masa
V= volumen
PESO ESPEacuteCIFICO
Se definen peso especiacutefico relativo a la relacioacuten entre
el peso especiacutefico de una sustancia y el peso
especiacutefico del agua destilada a 4 grados centigrados
sujeta a una atmoacutesfera de presioacuten
Pc=pV
Pc= Peso especigravefico
P=Peso
V= volumen
CARACTERISTICAS
ESTRUCTURALES
Se refiere a la orientacioacuten de las discontinuidades
tamantildeo y forma de rocas espaciado grado de
fracturacioacuten del macizo rocoso aacutengulo de inclinacioacuten
No aplica
EFECTO DEL AGUA
La estabilidad del talud y resistencia al cizallamiento
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS
Tabla 4 Paraacutemetros geomecaacutenicos
33
Tabla 5 Procesos de remocioacuten en masa
Fuente Ajustado de httpjulsgeoambientaljimdocomportafolioremocioacuten en masa
Es asiacute como el subsuelo o sustrato es la capa de suelo debajo de la capa
superficial de la tierra El cual incluye sustancias como arcilla yo arena que soacutelo
han sido parcialmente desglosadas por aire luz solar agua viento etc para
producir suelo verdadero Debajo del subsuelo estaacute el sustrato que puede
ser rocoso de sedimentos o depoacutesitos eoacutelicos en gran medida afectados por
factores formadores de suelo activo en el subsuelo El subsuelo contiene
LITOLOacuteGICOS ESTRUCTURALES TOPOGRAacuteFICOS ANTROacutePICOS TECTOacuteNICOS CLIMAacuteTICOS
El material superficial
se encuentra suelto y
puede ser removido
con facilidad en una
ladera por efecto de la
presioacuten de una
cantidad de agua
necesariamente si
bajo este material
superficial existe roca
consolidada e
impermeable
En el relieve se
presentan grietas o
diaclasas juntas que
por efecto de la
meteorizacioacuten fiacutesica
quiacutemica o bioloacutegica
provocan el
desmenuzamiento o
descomposicioacuten de
las rocas
Existen laderas de
montantildeas de colinas
con pendiente
abruptas o de terrenos
muy inclinados
En aacutereas con
pendientes
fuertemente taladas
(deforestadas) por el
hombre el material
superficial queda
expuesto a la
intemperie
Las ondas siacutesmicas
provocan el
desplazamientode
materiales
superficiales o de
unidades maacutes
importantes del relieve
como puede ser un
aacuterea accidentada o
no
Caen fuertes
precipitaciones o
caen de manera
continua provocan
deslizamientos sea
por aumento de
sobrecarga o por
cambios extremos en
las temperaturas las
cuales quiebran los
mantos rocosos
Es el desplazamiento de grandes voluacutemenes de material superficial ladera abajo (a favor de la pendiente) por accioacuten directa de la fuerza de
gravedad hasta volver a encontrar un nuevo punto de reposo Los movimientos de masa se presentan sobre todo en la eacutepoca lluviosa o
durante una actividad siacutesmica
PROCESOS DE REMOCIOacuteN EN MASA
Se produce porque la fuerza actuante (sobrecarga) que es originada normalmente por el agua ejerce una presioacuten hacia abajo que rompe el
equilibrio existente hasta ese momento la gravedad proporciona la energiacutea adicional requerida para que se produzca el movimiento
descendente En lugares secos donde llueve muy poco o no llueve se origina fundamentalmente por los movimientos siacutesmicos
FACTORES
CONCEPTO
ORIGEN
MOVIMIENTOS COMUNES
Formacioacuten de una superficiede ruptura recta o
curvada a partir de la cual se desplaza toda la
porcioacuten de terreno separada del conjunto con
la misma velocidad en todas sus partes
conservando su estructura y forma original
DESLIZAMIENTOS REPTACIOacuteN
Movimiento lento del suelo yo de detritos
rocosos cuesta abajo por lo general no
perceptible que afecta la parte superficial de
la ladera la capa de suelo y en algunos casos
la parte superior de la roca alterada Causas
lluvias o de fusioacuten de nieves que saturan los
suelos en ambientes huacutemedos y sobre
laderas con pendientes moderadas
DERRUMBAMIENTO
Incluye movimientos y caida directa de
material rocoso de variable dimensiones
Son causados por La fuerza gravitacional de
la tierra Grado e inestabilidad de fracturas de
la roca Efecto de meteorizacioacuten Efectos de
congelamiento del agua en las fracturas
34
partiacuteculas parcialmente degradadas por lo general de un tono maacutes claro de color
marroacuten o amarillo y contiene las raiacuteces profundas de las plantas grandes como los
aacuterboles
Existen diferentes meacutetodos de exploracioacuten para tomar muestras alteradas e
inalteradas
Una muestra alterada es aquella que estaacute constituida por material
disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales
para conservar las caracteriacutesticas de estructura y humedad in situ no
obstante en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua
original del suelo para lo cual las muestras se envasan en recipientes
impermeables y se transportan de forma que esteacuten protegidas de los
agentes atmosfeacutericos Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de
suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice y preparar especiacutemenes
compactados para someterlos a pruebas mecaacutenicas (SAHOP 1974)
Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura no
sufre de alteraciones quiacutemicas ni de humedad es decir conserva las
propiedades que teniacutea in situ Estas muestras se utilizan en el laboratorio
para identificar el tipo de suelo a que corresponden realizar pruebas iacutendice
y mecaacutenicas16
Las muestras inalteradas se obtendraacuten de suelos finos que pueden labrarse sin
que se disgreguen La obtencioacuten puede efectuarse en el piso o en las paredes de
una excavacioacuten como en un pozo a cielo abierto en la superficie del terreno
natural o en la de una terraceriacutea La excavacioacuten para obtener una muestra deberaacute
16Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015]
35
ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extraccioacuten de
la misma Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo
en su estado natural por lo que su obtencioacuten empaque y transporte requieren
cuidados especiales a fin de no alterarlas Las muestras deben ser identificadas
claramente Las superficies que esteacuten expuestas deben ser protegidas con
material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que
amortiguumlen las vibraciones que pudiera sufrir 17
5113 Problemas de los suelos expansivos en taludes y laderas ante
solicitaciones
Los terrenos con pendiente pronunciadas son aquellos que tienen susceptibilidad
ante fenoacutemenos como lo son los deslizamientos amplificacioacuten siacutesmica entre
otros18
Un sismo en materiales expansivos brindaraacute una respuesta dinaacutemica generada
por los suelos esto dependeraacute de las condiciones del esfuerzo de confinamiento y
del nivel de deformacioacuten que presenten los materiales de esta manera el suelo
no disipara energiacutea por poco amortiguamiento y la degradacioacuten a traveacutes de los
ciclos seraacute pequentildea lo cual indica una respuesta elaacutestica lineal Es asiacute como a
grandes deformaciones el suelo disipa mayor energiacutea por alto amortiguamiento y
la presioacuten de poro iguala el esfuerzo efectivo de confinamiento producieacutendose un
deterioro del suelo y por consiguiente la peacuterdida de resistencia por lo tanto la
respuesta es no lineal donde la rigidez decrece con el nuacutemero de ciclos19
17
Exploracioacuten y muestreo de suelos [en liacutenea] lt httpexpsuelosblogspotcom gt [citado en 23 de Junio de 2015] 18
Criterio para calificar los suelos con fines urbanos [en liacutenea]lt httpesslidesharenetcarlosjcamachopresentacin-
de-la-materia-3742687gt [citado en 3 de octubre del 2009] 19
Comportamiento Dinaacutemico de las Arcillas [en liacutenea]
lthttpwwwptolomeounammx8080jspuibitstream132248521006014A4pdfgt[citado en 2 de enero del 2009]
36
Otro de las solicitaciones que modifican el estado de un talud se refiere a la
cantidad de agua que se infiltre por el suelo debido a que los periodos climaacuteticos
del antildeo se modifican y dependiendo de la cantidad de precipitacioacuten aumentaraacute o
disminuiraacute el nivel freaacutetico es asiacute como los suelos expansivos sufriraacuten aumento o
disminucioacuten de volumen seguacuten la cantidad de agua sea mayor o menor lo que
causara el hinchamiento en eacutepocas de lluvia y retracciones en eacutepoca seca
generando grietas y posterior rotura del suelo
Por consiguiente la gravedad podraacute causar deslizamientos con este tipo de suelos
De esta manera se presentaran perdida de asentamientos en muros y cimientos
deformacioacuten en pavimentos en las aceras movimientos de laderas y aparicioacuten de
cavidades por disolucioacuten de sales
En el caso de las cargas soportadas por suelos expansivos como lo son
pequentildeas zapatas soportando cargas livianas son faacutecilmente levantadas
mientras que cuando las zapatas son de gran tamantildeo y soportan cargas pesadas
no ocurre este proceso20
5114 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Dentro de los meacutetodos de exploracioacuten de suelos existen dos clasificaciones
meacutetodos directos y meacutetodos indirectos En la tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de
suelos se muestra una clasificacioacuten general de los meacutetodos de exploracioacuten maacutes
usuales y una breve descripcioacuten21
20
Villalaz Carlos Crespo Mecaacutenica de suelos y cimentaciones 5ta edicioacuten MexicoLimusa2004ISBN 968-18-6489-1
21 Tesis Meacutetodos de exploracioacuten de suelos [En liacutenea] lthttptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdfgt [citado en
23 de Junio de 2015]
37
Tabla 6 Meacutetodos de exploracioacuten de suelos
Meacutetodo Descripcioacuten
Meacutetodos
directos
Pozos a cielo
abierto
Es el meacutetodo maacutes satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo
Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse
en eacutel examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer
muestras alteradas e inalteradas Su aplicacioacuten eficiente resulta sobre suelos
cohesivos
Pala
posteadora
Es un meacutetodo manual de exploracioacuten somera que consiste en hincar un barreno y
obtener muestras del tipo alterado pero representativas en cuanto al contenido de
agua Se utiliza en lugares donde otros equipos mecaacutenicos no pueden ser usados
Tubo Shelby Consiste en un tubo afilado de 75 a 10 cm de diaacutemetro que se hincan a presioacuten
para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o
semiduros
Sondeo de
penetracioacuten
estaacutendar
Con esta teacutecnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la
resistencia al corte con el nuacutemero de golpes con el que se hinca el penetroacutemetro
una distancia de 30 cm El equipo consta de un penetroacutemetro el cual se hinca a
golpes mediante un martinete de 635 kg que cae desde 76 cm de alto
Muestreador
Denison
Consiste en dos tubos conceacutentricos que se hinca en el suelo para obtener
muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyeccioacuten de fluido de
perforacioacuten que se hace circular entre ambos tubos
Meacutetodos
indirectos
Meacutetodo
siacutesmico
Consiste en provocar una explosioacuten en un punto determinado del aacuterea a explorar
usando una pequentildea carga de explosivo usualmente nitro amonio Por la zona a
explorar se situacutean geoacutefonos cada 15 oacute 30 cm Este procedimiento se funda en la
velocidad de propagacioacuten de las ondas vibratorias de tipo siacutesmico a traveacutes de
diferentes medios materiales
Meacutetodo de
resistividad
eleacutectrica
Consiste en inducir una corriente eleacutectrica a traveacutes de los suelos de tal forma que
se presente una mayor o menor resistividad eleacutectrica para determinar la presencia
de estratos de roca en el subsuelo Mayores resistividades corresponden a rocas
duras siguiendo con rocas suaves y asiacute sucesivamente hasta valores menores
correspondientes a suelos suaves saturados
Meacutetodos
magneacuteticos y
gravimeacutetricos
Para el primero se utiliza un magnetoacutemetro que mide la componente vertical del
campo magneacutetico terrestre en la zona considerada en varias estaciones
proacuteximas entre siacute En los meacutetodos gravimeacutetricos se mide a aceleracioacuten del
campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar La informacioacuten
que proveen estos meacutetodos es algo erraacutetica y difiacutecil de interpretar
Fuente Ajustado de httptesisusonmxdigitaltesisdocs3273Capitulo1pdf
38
Meacutetodos de anaacutelisis en taludes 512
Se describen los diferentes meacutetodos de anaacutelisis en taludes con la finalidad de
observar la diferencia entre los mismos e identificar cuaacutel de ellos cumple con la
desarrollo del trabajo en el anaacutelisis del valor de factor de seguridad resumidos en
la graacutefica 2 Meacutetodos de caacutelculo
5121 Meacutetodos de equilibrio liacutemite
Se basan en leyes de la estaacutetica determinando el estado de equilibrio de un
terreno inestable No tienen en cuenta las deformaciones del terreno Suponen
que la resistencia al corte se moviliza total y concordantemente a lo largo de la
superficie de corte Se pueden clasificar en dos grupos
bull Meacutetodos exactos
bull Meacutetodos no exactos
5122 Meacutetodos exactos
El uso de las leyes de la estaacutetica da una solucioacuten exacta al problema Esto soacutelo es
posible en taludes de geometriacutea sencilla como por ejemplo la rotura planar y la
rotura por cuntildeas
5123 Meacutetodos no exactos
En la mayoriacutea de los casos la geometriacutea de la superficie de rotura no permite
obtener una solucioacuten exacta del problema solamente mediante la aplicacioacuten de las
leyes de la estaacutetica El problema es hiperestaacutetico y ha de hacerse alguna hipoacutetesis
previa que permita su resolucioacuten Se pueden tomar los meacutetodos que consideran el
equilibrio global de masa deslizante hoy en desuso y los meacutetodos de las dovelas
o rebanadas que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas
verticales
39
Los meacutetodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en
Meacutetodos aproximados que no cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica
Se pueden nombrar los meacutetodos de Fellenius Janbu y Bishop simplificado
Meacutetodos completos que cumplen todas las ecuaciones de la estaacutetica Los
conocidos son los meacutetodos de Morgenstern-Price Spencer y Bishop
riguroso
Figura 2 Meacutetodos de caacutelculo
Fuente Propia
A traveacutes de los meacutetodos de caacutelculo se desarrollan los meacutetodos de anaacutelisis para
estabilidad de taludes estos son de gran importancia para el desarrollo a nivel
numeacuterico con el fin de identificar que sucede en un talud al cambiar y modificar
ciertos paraacutemetros geomecaacutenicos mostrados dichos meacutetodos en la tabla 7
Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
40
Tabla 7 Meacutetodos de anaacutelisis para estabilidad de taludes
Meacutetodo de
tablas o
nuacutemero de
estabilidad
Para los taludes simples homogeacuteneos se han desarrollado tablas que
permiten un caacutelculo raacutepido del factor de seguridad Existe una gran cantidad
de tablas desarrolladas por diferentes autores La primera de eacutestas fue
desarrollada por Taylor en 1966 Desde entonces han sido presentadas
varias tablas sucesivamente por Bishop y Morgenstern (1960) Hunter y
Schuster (1968) Janbuacute (1968) Morgenstern (1963) Spencer (1967)
Terzaghi y Peck (1967) y otros
Meacutetodo del
talud infinito
El meacutetodo del talud infinito es un sistema muy raacutepido y sencillo para
determinar el factor de seguridad de un talud suponiendo un talud largo
con una capa delgada de suelo en el cual cualquier tamantildeo de columna de
suelo es representativo de todo el talud Las suposiciones del meacutetodo del
talud infinito son las siguientes suelo isotroacutepico y homogeacuteneo talud
infinitamente largo y superficie de falla paralela al talud El principal uso del
meacutetodo del talud infinito es la elaboracioacuten de planos de amenaza a los
deslizamientos mediante el uso de SIGS
Meacutetodo del
bloque
deslizante
El anaacutelisis de bloque puede utilizarse cuando existe a una determinada
profundidad una superficie de debilidad relativamente recta y delgada La
masa que se mueve puede dividirse en dos o maacutes bloques y el equilibrio de
cada bloque se considera independientemente utilizando las fuerzas entre
bloques No considera la deformacioacuten de los bloques y es uacutetil cuando existe
un manto deacutebil o cuando aparece un manto muy duro sobre el cual se
puede presentar el deslizamiento
Meacutetodo
Ordinario o
de Fellenius
Conocido tambieacuten como meacutetodo Sueco meacutetodo de las Dovelas o meacutetodo
USBR Este meacutetodo asume superficies de falla circulares divide el aacuterea
de falla en tajadas verticales obtiene las fuerzas actuantes y resultantes
para cada tajada y con la sumatoria de estas fuerzas obtiene el Factor de
Seguridad
41
Meacutetodo de
Bishop
Bishop (1955) presentoacute un meacutetodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta
el efecto de las fuerzas entre las Dovelas El meacutetodo simplificado de Bishop
es uno de los meacutetodos maacutes utilizados actualmente para el caacutelculo de
factores de seguridad de los taludes Aunque el meacutetodo soacutelo satisface el
equilibrio de momentos se considera que los resultados son muy precisos
en comparacioacuten con el meacutetodo ordinario
Meacutetodo de
Janbuacute
El meacutetodo simplificado de Janbuacute se basa en la suposicioacuten de que las
fuerzas entre dovelas son horizontales y no tienen en cuenta las fuerzas de
cortante Janbuacute considera que las superficies de falla no necesariamente
son circulares y establece un factor de correccioacuten fo El factor fo depende
de la curvatura de la superficie de falla Estos factores de correccioacuten son
solamente aproximados y se basan en anaacutelisis de 30 a 40 casos
Meacutetodo de
Spencer
El meacutetodo de Spencer es un meacutetodo que satisface totalmente el equilibrio
tanto de momentos como de esfuerzos El procedimiento de Spencer
(1967) se basa en la suposicioacuten de que las fuerzas entre dovelas son
paralelas las unas con las otras o sea que tienen el mismo aacutengulo de
inclinacioacuten
Meacutetodo de
Morgenstern
y Price
El meacutetodo de Morgenstern y Price (1965) asume que existe una funcioacuten que
relaciona las fuerzas de cortante y las fuerzas normales entre dovelas Esta
funcioacuten puede considerarse constante como en el caso del meacutetodo de
Spencer o puede considerarse otro tipo de funcioacuten La posibilidad de
suponer una determinada funcioacuten para determinar los valores de las fuerzas
entre dovelas lo hace un meacutetodo maacutes riguroso que el de Spencer22
Adaptado de Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil
Bucaramanga-Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
22
Suarez Diacuteaz Jaime Universidad central de Santander Profesor de la facultad de Ingenieriacutea Civil Bucaramanga-
Colombia Deslizamiento y estabilidad de taludes en zonas tropicales1998ISBN
42
52 MARCO LEGAL
Para garantizar la viabilidad normativa del presente trabajo este se encuentra
acorde a los requisitos legales y normativos de la actualidad descritos en la tabla
8 Normatividad
Tabla 8 Normatividad
NORMA OBJETIVO
CE020 Estabilizacioacuten de
Suelos y de Taludes
Establecer las consideraciones teacutecnicas miacutenimas para el mejoramiento requerido de la resistencia de suelos y de la estabilidad de taludes
NSR 2010 Titulo H
Establecer criterios baacutesicos para realizar estudios geoteacutecnicos de edificaciones basados en la investigacioacuten del subsuelo y las caracteriacutesticas arquitectoacutenicas y estructurales de las edificaciones con el fin de proveer las recomendaciones geoteacutecnicas de disentildeo y construccioacuten de excavaciones y rellenos estructuras de contencioacuten cimentaciones rehabilitacioacuten o reforzamiento de edificaciones existentes y la definicioacuten de espectros de disentildeo sismo resistente para soportar los efectos por sismos y por otras amenazas geoteacutecnicas desfavorables
NSR 2010 Titulo A2
Establecer los valores de coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva para el disentildeo la cual se encuentra impliacutecita en la tabla A22 del cual se toma el valor 030 en una escala de 005 hasta 050 desde amenaza siacutesmica baja hasta amenaza siacutesmica alta lo que indica que para efecto de anaacutelisis y disentildeo de taludes se debe emplear la aceleracioacuten maacutexima del terreno en donde el coeficiente siacutesmico de disentildeo para anaacutelisis seudo estaacutetico de taludes KST tiene el valor inferior tomando asiacute el valor de 080 de suelos enrocados y macizos fracturados lo que implica ejecutar una operacioacuten matemaacutetica simple con el fin de obtener el valor de Aa adecuado para el disentildeo dinaacutemico del talud el cual es 025
Fuente Propia
43
6 DISENtildeO METODOLOacuteGICO
En este capiacutetulo se evidencia el enfoque que se expuso en el presente trabajo
dejando claras las caracteriacutesticas principales para el desarrollo de modelos que
presentan el factor de seguridad oacuteptimo en suelos expansivos
61 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIOacuteN
El enfoque que se empleo es de caraacutecter cuantitativo y cualitativo ya que se tomoacute
como base de trabajo los estudios realizados en diferentes zonas compuestas por
suelos expansivos
62 TIPO DE INVESTIGACIOacuteN
Cuenta con una investigacioacuten tipo analiacutetica ya que se desarrolloacute una matriz de
comparacioacuten entre paraacutemetros mecaacutenicos y geoteacutecnicos comunes en los suelos
expansivos en donde se buscoacute valores miacutenimos de factores de seguridad en
relacioacuten a paraacutemetros de resistencia condiciones geomeacutetricas y factores
naturales
63 DISENtildeO MUESTRAL
Para el trabajo se tiene en cuenta un talud con caracteriacutesticas geoteacutecnicas y
geomeacutetricas establecidas en donde ejecutoacute una comparacioacuten del comportamiento
del talud con respecto a valores de factor de seguridad para lo cual se realiza un
anaacutelisis de la poblacioacuten universo muestra individuo y variables descritas a
continuacioacuten
Poblacioacuten universo 631
La poblacioacuten universo de la investigacioacuten se basa en el anaacutelisis de taludes ya que
es el elemento maacutes grande del cual se tomoacute la muestra con el fin de ejecutar un
44
anaacutelisis de paraacutemetros geomecaacutenicos sobre el comportamiento de la presencia
de suelos expansivos frente a las variables correspondientes
Muestra 632
Consiste en 264 modelos ejecutados en SLIDEreg de donde se tienen en cuenta
valores de Ru= 00 025 y 05 con alturas de 10 m y 20 m aacutengulos de inclinacioacuten
de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm asiacute mismo se realizan 120 modelos adicionales en donde la
altura es de 10 m variando el valor de Ru=00 01 025 05 y aacutengulos de
inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm en donde se tiene en cuenta los paraacutemetros
geomecaacutenicos y geomeacutetricos para diferentes tipos de suelos expansivos
correspondientes
CH Arcilla de alta plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con alta
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
mayor de 50 tacto suave23
CL Arcilla de baja plasticidad suelos inorgaacutenicos de grano muy fino con baja
capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico limite liquido
menor de 50 tacto suave24
MH Limo de alta plasticidad suelo de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse ante su esfuerzo mecaacutenico limite liquido menor de 50
tacto aacutespero25
23
El sistema unificado de clasificacioacuten de los suelos [en liacutenea]lt
ftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt [citado en 3 de noviembre del
2015]
24 Ibiacuted Cuadro 21
25 Ibiacuted Cuadro 21
45
Individuo 633
Taludes con presencia de suelos expansivos como arcilla de baja alta plasticidad
y limos de alta plasticidad en general
Variables 634
Caracteriacutesticas del suelo del talud humedad del suelo que conforma el talud
inclinacioacuten de talud aacutengulo de friccioacuten del suelo cohesioacuten nivel freaacutetico factor
de seguridad Tabla 9 Variables
Tabla 9 Variables
Fuente Propia
Se establece que para la medicioacuten de variables en el problema de investigacioacuten
del proyecto que se desarrolloacute el cual estaacute basado en el ANAacuteLISIS DE
PARAacuteMETROS GEOMECAacuteNICOS EN TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS
EXPANSIVOS Los meacutetodos que se desarrollan en la estabilizacioacuten de taludes
son
VARIABLES
CUALITATIVAS Tipo de suelo CH CL y MH
CUANTITATIVAS
Humedad del suelo que conforma el talud ndash Nivel Freaacutetico
Inclinacioacuten de talud
Altura de talud
Angulo de friccioacuten
Cohesioacuten
Factor de seguridad
Sismo
46
Meacutetodo de Bishop simplicado a pesar de solo satisface el equilibrio de
momentos y no cumple con la totalidad de las ecuaciones de la estaacutetica
presenta exactitud frente a los resultados que se obtienen en comparacioacuten
con el meacutetodo ordinario de igual manera utiliza las dovelas teniendo en
cuenta las fuerzas entre las mismas y es uno de los maacutes utilizados para
calcular el factor de seguridad de los taludes la principal restriccioacuten del
meacutetodo es que solo considera las superficies circulares (Jaime
Suarez2002)
De igual manera se ejecuta el respectivo anaacutelisis por medio de Software Slidereg
en el cual se tienen en cuenta para los modelos los paraacutemetros descritos
anteriormente
Slidereg ya que es un programa con anaacutelisis de la filtracioacuten incorporando
elementos finitos y funciones que define directamente el usuario de esta
manera el estudio de sensibilidad permite determinar el efecto de las
variables en el factor de seguridad de un talud
64 FASES DEL PROYECTO
A traveacutes de las fases es posible identificar el orden cronoloacutegico en el que se
desarrolla el presente documento para cumplir el objetivo general que es analizar
el comportamiento de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes compuestos por
suelos expansivos ante variables de nivel freaacutetico geometriacutea y sismo que se
describen a continuacioacuten
FASE I Identificacioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos en taludes 641
compuestos por arcillas expansivas
47
Actividad 1 Consultar en diferentes fuentes de informacioacuten definiciones de
los paraacutemetros geomecaacutenicos de suelos expansivos que seraacuten estudiados
Actividad 2 Investigacioacuten del subsuelo y conocimiento determinado de
suelos expansivos referenciando los meacutetodos de exploracioacuten
Actividad 3Identificacioacuten problemas que ocasionan estos materiales con
presencia taludes ante solicitaciones de gravedad infiltracioacuten sismo
escorrentiacutea y otros
Actividad 4 Recopilacioacuten de informacioacuten secundaria referente al
comportamiento de estos materiales
Actividad 5 Documentacioacuten de antecedentes referentes a deslizamientos y
amenazas que presente un talud compuesto por suelos expansivos
identificando coacutemo se estudian los deslizamientos y los problemas
geoteacutecnicos que se presentan en estos materiales
FASE II Modelacioacuten y sensibilizacioacuten de paraacutemetros en taludes 642
Actividad 1 Definicioacuten de los paraacutemetros a estudiar para la modelacioacuten en
taludes
Actividad 2 Elaboracioacuten de matriz para la definicioacuten del modelo
geoteacutecnico el desarrollo y respuesta del mismo
48
Actividad 3Realizar la instruccioacuten en programas de modelacioacuten para
estabilidad de taludes
Actividad 4 Modelacioacuten geoteacutecnica mediantes equilibrio liacutemite para las
diferentes condiciones de escenarios descritos en la matriz
FASE III Generacioacuten de graacuteficas y anaacutelisis de resultados 643
Actividad 1Generacioacuten de graacuteficas de resultados de las modelaciones
para la revisioacuten del factor de seguridad
Actividad 2Anaacutelisis del comportamiento de los paraacutemetros geoteacutecnicos
definidos teniendo como base la modelacioacuten realizada en diferentes
escenarios
Actividad 3 Generacioacuten de graacuteficas finales de respuesta del
comportamiento de los paraacutemetros geomecaacutenicos
Actividad 4 Anaacutelisis de resultados respecto a la generacioacuten de graacuteficas
Actividad 6 Generacioacuten y redaccioacuten del documento final
Actividad 7 Generacioacuten de Articulo
49
7 DESARROLLO METODOLOacuteGICO
Por medio de la descripcioacuten detallada de conceptos se obtiene la identificacioacuten de
suelos expansivos a estudiar que como se menciona en el documento son
materiales compuestos por arcillas de alta y baja plasticidad y limos de alta
plasticidad en donde se identifica las caracteriacutesticas mecaacutenicas geoteacutecnicas
fiacutesicas que son claves al momento del anaacutelisis de cada uno de los modelos a
ejecutar en el software Slidereg con el fin de conocer el comportamiento de los
suelos en mencioacuten cuando se tienen variables de sismo nivel freaacutetico y
geometriacutea correspondiente a diferentes aacutengulos de inclinacioacuten 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
y una altura de 10 m 20 m y variaciones con respecto al paraacutemetro Ru de 00
01 025 04 05 en condiciones estaacutetica y dinaacutemica
71 DESCRIPCIOacuteN DE SUELOS EXPANSIVOS
Se realiza una descripcioacuten detallada acerca de los suelos expansivos que
conforman un talud de los cuales se analiza el factor de seguridad como lo son
arcillas de baja y alta plasticidad y limos de alta plasticidad donde se identifican
las caracteriacutesticas que componen cada uno de estos suelos y la diferencia de los
mismos para su respectiva identificacioacuten descritos en la tabla 10 Descripcioacuten de
suelos expansivos
50
CH CL ML
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA PLASTICIDAD ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA PLASTICIDAD LIMO INORGAacuteNICO DE BAJA PLASTICIDAD
Arcillas inorgaacutenicas de alta plasticidad arcillas
grasas
Arcillas inorgaacutenicas de plasticidad baja a mediana
arcillas gravosas arcillas arenosas arcillas limosas
arcillas magras
Limos inorgaacutenicos y arenas muy finas harina de
roca arenas finas limosas o arcillosas o limos
arcillosos de ligera plasticidad
Suelo de grano fino
Diaacutemetro de las partiacuteculas comprendido entre
005 mm y 0005 mm
Color variacutea desde gris claro a muy oscuro
No suelen tener propiedades colidales
A partir de 0002 mm y a medida que
aumenta el tamantildeo de las partiacuteculas se
va haciendo cada vez mayor la
proporcioacuten de minerales no arcillosos
Partiacuteculas forma redondeada
Tacto aacutespero
Mayor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de masa
Se secan con relativa rapidez y no se
pegan a los dedos
Los terrones secos tienen una cohesioacuten
apreciable pero se pueden reducir a
Pueden ser colapsables
Fuerte olor a tierra Ligero olor a tierra Olor no caracteriacutestico a menudo ninguno
Consistencia alta Menor consistencia que las CH Consistencia baja
Estructura blanda Estructura menos blanda que las CH Estructura blanda
Alta capacidad de deformarse sin agrietarse ante
un esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten
al retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse ante un
esfuerzo mecaacutenico conservando la deformacioacuten al
retirarse la carga
Baja capacidad de deformarse sin agrietarse
ante un esfuerzo mecaacutenico conservando la
deformacioacuten al retirarse la carga
Plaacutesticos Plaacutesticos Ligeramente plaacutesticos
Liacutemite liquido mayor de 50 arcillas de alta
contraccioacuten-dilatacioacuten Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos Liacutemite liquido menor de 50 ligeramente plaacutesticos
Se secan lentamente y se pegan a los
dedos
Los terrones secos se pueden partir
pero no reducir a polvo con los dedos
No son colapsables
Consisten en su mayor parte en
minerales arcillosos
Partiacuteculas forma laminar
Tacto suave
Menor permeabilidad
Predominan las caracteriacutesticas de
superficie
GRAacuteFICO DE PLASTICIDAD DE LOS SUELOS DE GRANO FINO
SUELOS EXPANSIVOS
Son suelos que al ser humedecidos sufren una expansioacuten que pone en peligro a las estructuras cimentadas sobre ellos
Su comportamieno se caracteriza principalmente por
- La contraccioacuten debido al secado
- La expansioacuten al humedeserce
- Desarrollo de presiones de expansioacuten cuando estaacute confinado y no puede expandirse
Suelen tener propiedades colidales
Suelo de grano fino suelo o roca sedimentaria constituido por agregados de silicatos de aluminio
hidratados procedentes de la descomposicioacuten de rocas que contienen feldespato como el granito
Diaacutemetro menor de 0005 mm
Presenta diversas coloraciones seguacuten las impurezas que contiene desde el rojo anaranjado hasta el
blanco cuando es pura
Tabla 10Descripcioacuten de suelos expansivos
Fuente Adaptado de
[En liacutenea] ltftpftpfaoorgfiCDromFAO_trainingFAO_traininggeneralx6706sx6706s11htm83agt[citado en 15 de
octubre del 2015]
[En liacutenea] lt httpesslidesharenetfrkfirtinsuelos-expansivosgt[citado en 15 de octubre del 2015]
[En liacutenea] lthttpwwwfceiaunreduargeologiaygeotecniaDiferenciasgt[citado en 15 de octubre del 2015
51
UNIDAD SUELO-1 SUELO-2 SUELO-3
71 63 43
32 37 24
39 26 19
31 26 23
KNm3 132 139 146
KNm3 141 146 151
24 22 20
CH MH CL
CONTENIDO INICIAL DEL AGUA
CLASIFICACIOacuteN DEL SUELO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
LIMITE DE CONSISTENCIA
COMPACTACIOacuteN
OPTIMO CONTENIDO DE AGUA
DENSIDAD LIBRE MAacuteXIMA
PROPIEDADES FISICAS INALTERADAS DE LA MUESTRA DE SUELO
DENSIDAD LIBRE INICIAL
LIMITE LIQUIDO
LIMITE PLAacuteSTICO
INDICE PLAacuteSTICO
PROPIEDADES
72 PROPIEDADES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS CH CL Y MH
Es necesario conocer las propiedades fiacutesicas de los suelos descrita en la tabla
11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos ya que de estas depende el
comportamiento mecaacutenico que lo mismos presentan ante factores intriacutensecos y
extriacutensecos como los son lluvia y sismo siendo estos importantes al momento de
observar el proceso de remocioacuten en masa de un talud cuando se afecta por estos
factores
Tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 132 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A traveacutes del estudio realizado en el libro expansive Soils se obtienen este tipo de
propiedades fiacutesicas de los materiales que en el presente proyecto se desarrollan
descritos en la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos en el
estudio ejecutado se describe sobre los avances en la caracterizacioacuten y
tratamiento en suelos expansivos la importancia del tema radica en el problema
52
que presentan estos suelos al estar sometidos a diferentes condiciones que
obligan al ingeniero civil a identificar los inconvenientes que la presencia de estos
puedan generar en un proyecto de construccioacuten debido a su inestabilidad dada
por la expansioacuten que sufren ante la presencia de agua y la contraccioacuten o
dilatacioacuten que presentan debido a momentos de sequiacutea o cambios en el nivel
freaacutetico
Por lo tanto el limite liacutequido que presentan los tipos de suelos analizados es para
un CH de 71 MH de 63 y CL de 43 lo que indica que este es el porcentaje
en el que cada uno de estos suelos pasa de un estado liacutequido a uno plaacutestico Es
asiacute como se observa que existe maacutes probabilidad de que ocurra este fenoacutemeno
con la arcilla de alta plasticidad
Con respecto al liacutemite plaacutestico se observan valores obtenidos para un CH 32
MH 37 y 24 que es cuando el suelo pasa de un estado semisoacutelido a uno
plaacutestico siendo mayor para el limo de alta plasticidad
De tal manera que se observa el Iacutendice de plasticidad bajo como por ejemplo del
19 para una arcilla de baja plasticidad la cual significa que un pequentildeo
incremento en el con tenido de humedad del suelo lo transforma de semisoacutelido a
la condicioacuten de liacutequido es decir resulta muy sensible a los cambios de humedad
Por el contrario un iacutendice de plasticidad alto como por ejemplo del 39
perteneciente a la arcilla de alta plasticidad indica que para que el suelo pase del
estado semisoacutelido al liacutequido se le debe agregar gran cantidad de agua26
Tambieacuten se obtiene el contenido oacuteptimo de agua el cual permite la obtencioacuten de la
26
Liacutemites de Atterberg Iacutendice de Plasticidad Fluidez Retraccioacuten [en liacutenea]lt
httpuningenierocivilblogspotcomco201103limites-de-atterberg-indice-dehtmlgt [citado en 9 de noviembre del 2015
53
densidad maacutexima mediante la compactacioacuten que seguacuten tabla 11 Es 31 para un
CH 26 para el MH y 23 para el CL Siendo este valor inversamente
proporcional a la densidad libre maacutexima debido a que entre mayor es el oacuteptimo
contenido de agua menor es la densidad maacutexima
De esta manera se obtienen las propiedades fiacutesicas de los suelos estudiados
haciendo la respectiva clasificacioacuten de los materiales correspondientes a suelos
expansivos
73 SELECCIOacuteN DE PARAacuteMETROS
Con el fin de lograr la identificacioacuten de cada uno de los materiales se seleccionan
los paraacutemetros geomecaacutenicos siendo los mismos importantes pues de estos
depende el comportamiento y el valor de factor de seguridad del talud cuando se
relacionan con paraacutemetros geomeacutetricos y de Ru ante factores estaacuteticos y
dinaacutemicos que se describen en los siguientes numerales a partir del 731
Paraacutemetros Geomecaacutenicos 731
La seleccioacuten de paraacutemetros a raiacutez de la investigacioacuten realizada se consolidoacute
teniendo en cuenta los siguientes datos bibliograacuteficos
En el libro Expansive Soil se observa la descripcioacuten de un estudio donde se
evaluacutea la presioacuten de hinchamiento del suelo el potencial de hinchamiento y la
resistencia a la compresioacuten inconfinada de muestras alteradas e inalteradas de
suelos expansivos De donde se describen tres tipos de suelos seleccionados de
la parte norte de Jordania con una amplia gama de contenido de arcilla
caracterizando las propiedades fiacutesicas de estos suelos como la gradacioacuten el
liacutemite plaacutestico y el liacutemite liacutequido la gravedad especiacutefica el peso especiacutefico seco
54
maacuteximo y el contenido oacuteptimo de agua de donde se tienen en cuenta las normas
ASTM para consolidar los resultados en la Tabla 11 del presente documento
Razoacuten por la cual se toman valores de peso especiacutefico para MH CH y CL ya que
el estudio que se explicoacute anteriormente estuvo basado en muestras de suelos
inalteradas en zonas altamente arcillosas con caracteriacutesticas similares a las que
se analizan
Otro de los estudios realizados en el libro de Expansive Soils trata de una serie
completa de pruebas de la compresioacuten inconfinada (UC) no consolidado no
drenado (UU) triaxiales y columna resonante (RC) en donde se realizan sobre
muestras estabilizadas quiacutemicamente de sulfato de rica arcilla expansiva del
sureste de Arlington Texas despueacutes de haber sido sometido a ciclos repetitivos
de humectacioacuten-secado (WD) inducido artificialmente en el laboratorio Se
utilizan los resultados para evaluar la influencia de wd ciacuteclico en resistencia a largo
plazo la rigidez y unidimensional (1-D) hinchazoacuten y contraccioacuten como respuesta
del suelo tratado incluyendo la resistencia a la compresioacuten inconfinada
paraacutemetros de resistencia al corte sin drenaje moacutedulo de corte dinaacutemico y
material de amortiguacioacuten
Los Meacutetodos de estabilizacioacuten incluyen sulfato resistente cemento Tipo V bajo en
calcio clase F de ceniza volaacutetil cal viva y se mezcla con fibras de polipropileno
Dichas muestras de suelo tratadas se curaron durante 7 diacuteas y despueacutes se
sometieron a 0 1 2 4 8 16 y 32 ciclos wd antes de la prueba UC UU y RCl Un
ciclo wd consistioacute en 12 horas de inmersioacuten en un bantildeo de agua potable en la sala
de temperatura seguido de 12 horas de secado en el horno a 140 degF En cambio
las caacutemaras wd permiten el monitoreo de 1-D expansioacuten-contraccioacuten que brinda
respuesta durante wd repetido Una dosis por peso 10 de cemento Tipo V
parece dar mejor rendimiento general bajo wd ciacuteclico
55
Es de esta manera como se busca resumir los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados descritos en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
natural antes de ser tratado En la misma tabla indicada pero en la fuente
bibliograacutefica se presentan los demaacutes resultados como resumen de los paraacutemetros
de resistencia al cortante (c-ɸ) obtenidos de ensayos triaxiales UU que en este
caso se omitieron debido a que nuestro estudio estaacute basado en suelos expansivos
sin tratar
Tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no
drenado Suelo natural antes de ser tratado
Nuacutemero de
ciclos w-d C (psi) C (KPa)
de
cambio
ɸ
(deg)
de
cambio
Suelo
Natural
0 68 469 00 06 00
1 65 449 - 44 06 00
2 67 462 - 15 06 00
4 63 435 - 74 06 00
8 69 476 + 15 06 00
16 69 473 + 07 06 00
32 69 476 + 15 06 00
Ajustado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 129 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681
Los valores que se encuentran resaltados en la tabla 12 Paraacutemetros de
resistencia al corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo
56
natural antes de ser tratado fueron utilizados en el trabajo para los paraacutemetros del
material arcilla de alta plasticidad (CH)
A continuacioacuten se presentan las figuras correspondientes a los efectos del
contenido inicial de agua en la presioacuten por hinchamiento para obtener los valores
de cohesioacuten en cada uno de los tipos de suelos estudiados para ello se tiene en
cuenta las propiedades fiacutesicas de los suelos expansivos resumidos en la tabla
11 donde se especifica el contenido inicial () del agua asiacute CH 24 MH 22 y CL
20 valores con los que se ingresa en el eje vertical para las figuras
correspondientes al suelo compuesto por limo de alta plasticidad y arcilla de baja
plasticidad analizado en condiciones estaacuteticas (la condicioacuten dinaacutemica se tendraacute
en cuenta en el proceso de modelacioacuten)
Figura 3 El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH
Tomado de Amer Ali Al-Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 134 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
57
A partir de la figura 3 se obtiene un valor de
y a su
vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla
inorgaacutenica de alta plasticidad
Figura 4El efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para CL
Tomado de Amer Ali Al-Rawas ampMattheus FA Goosen Expansive Soils Efectos en las teacutecnicas de remoldeo en suelos
expansivos y propiedades de fuerza de cizallamiento2006Paacuteg 135 62415136ndashdc22 ISBN10 0ndash415ndash39681ndash6
A partir de la figura 4 se obtiene un valor de
y a su vez
valor de la cohesioacuten para una arcilla inorgaacutenica de alta
plasticidad
En la investigacioacuten se encuentran diferentes paraacutemetros para distintos tipos de
suelos de los cuales se analiza y compara con la fuente del libro de Expansive
58
Soils seleccionando los apropiados para ejecutar la modelacioacuten en el software
Slidereg en la Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos en el cual se
evidencian valores comparados con la fuente confiable del libro
Tabla 13 Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos
Tipo de suelo Consistencia
Angulo de friccioacuten
interna
ɸ en grados
Peso
especiacutefico
Kgcm2
Arena gruesa
o arena con
grava
Compacta 40 2250
Suelta 35 1450
Arena media Compacta 40 2080
Suelta 30 1450
Arena limosa
fina o limo
arenoso
Compacta 30 2080
Suelta 25 1365
Limo uniforme Compacta 30 2160
Suelta 25 1365
Arcilla-limo Suave a
mediana 20 1440-1920
Arcilla limosa Suave a
mediana 15 1440-1920
Arcilla Suave a
mediana 01 1440-1920
Fuente Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos [En liacutenea] lt httpcivilgeekscom20111130valores-referenciales-sobre-
diferentes-propiedades-de-los-suelosgt [citado en 11 de noviembre del 2015]
59
7311 Paraacutemetros para limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Este tipo de materiales cuentan con suelos de grano fino con baja capacidad de
deformacioacuten sin agrietarse antes los esfuerzos mecaacutenicos contando con un liacutemite
liquido menor de 50 Los paraacutemetros para este material se establecen en la tabla
13 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos del limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH)
LIMO INORGAacuteNICO DE ALTA PLASTICIDAD
(MH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 15 146
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se toman de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten correspondiente al efecto del contenido de agua inicial en la
presioacuten de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para MH En
donde se observa la seleccioacuten del paraacutemetro en la graacutefica 3 El efecto del
contenido de agua inicial en la presioacuten de hinchamiento por los tres
meacutetodos para MH Ingresando en el eje horizontal con el contenido inicial
del agua descrito en la tabla No 11 Propiedades Fiacutesicas de los suelos
expansivos en la cual se describe un contenido de agua inicial de 22
que para condicioacuten estaacutetica es de 140 Kpa como presioacuten de hinchamiento
60
que permite obtener el valor de la cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten los datos obtenidos de la web ingeniero civil
denominada Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten de la tabla 13
Paraacutemetros de diferentes tipos de suelos que se encuentra en un blog
peruano creado en agosto de 2010 por John J Rojas se identifica como
un portal que dedica a compartir y difundir temas relacionados con la
ingenieriacutea civil desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico Se describe en el paacuterrafo introductorio del numeral 73 de
seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos y es tomado de la tabla 11
Propiedades fiacutesicas de los suelos
7312 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
La arcilla de alta plasticidad pertenece a suelos inorgaacutenicos de grano muy fino
con baja capacidad de deformacioacuten sin agrietarse ante un esfuerzo mecaacutenico su
liacutemite liacutequido es mayor a 50 presentando asiacute los paraacutemetros geomecaacutenicos a
continuacioacuten para el respectivo material descrito en la tabla 15 Paraacutemetros
geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
61
Tabla 14 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE ALTA
PLASTICIDAD
(CH)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
469 06 141
Fuente propia
Los paraacutemetros relacionados se tomaron de diferentes fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten se encuentran resumidos los valores c- ɸ obtenidos de suelos
naturales antes de ser tratados el anaacutelisis es efectivo por que el suelo se
presenta en estado natural En la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al
corte (C y ɸ) para ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural
antes de ser tratado
Aacutengulo de friccioacuten tomado para el suelo natural sin ninguacuten tipo de
estabilizacioacuten ni alteracioacuten en el contenido del mismo basada en las
condiciones iniciales de suelos expansivos despueacutes de haber sido sometida
dicha muestra a ciclos repetitivos de humectacioacuten-secado (WD) inducido
artificialmente en el laboratorio para identificar el comportamiento del mismo
en cuanto a la resistencia al cortante donde el aacutengulo de friccioacuten interna
determina su comportamiento junto con la cohesioacuten resumidas dichas
62
Condiciones en la tabla 12 Paraacutemetros de resistencia al corte (C y ɸ) para
ensayo triaxial no consolidado no drenado Suelo natural antes de ser
tratado
Peso especiacutefico este valor se encuentra descrito en el paacuterrafo introductorio
de seleccioacuten de paraacutemetros geomecaacutenicos Tabla 11 Paraacutemetros fiacutesicos de
los suelos expansivos
7313 Paraacutemetros para arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
La arcilla de baja plasticidad hace parte de los suelos inorgaacutenicos de grano muy
fino con baja capacidad de deformacioacuten sin sufrir de grietas ente un esfuerzo
mecaacutenico el liacutemite liquido es menor a 50 de esta manera en la tabla 16
Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) se
describen los paraacutemetros a considerar para la modelacioacuten ejecutada
Tabla 15 Paraacutemetros geomecaacutenicos de una arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL)
ARCILLA INORGAacuteNICA DE BAJA
PLASTICIDAD
(CL)
COHESIOacuteN
C
AacuteNGULO DE
FRICCIOacuteN
ɸ
PESO
ESPECIacuteFICO
ϒ
(KNM2) (deg) (KNM3)
35 01 151
Fuente propia
63
Los paraacutemetros relacionados se toman de distintas fuentes como resultado a la
investigacioacuten de los datos requeridos para la elaboracioacuten del presente documento
Cohesioacuten corresponde al efecto del contenido de agua inicial en la presioacuten
de hinchamiento por los tres meacutetodos mencionados para CL Ingresando en
el eje horizontal con el contenido inicial del agua descrito en la tabla 11
Propiedades Fiacutesicas de los suelos expansivos se describe un contenido de
agua inicial de 20 que para condicioacuten estaacutetica muestra un valor de 140
Kpa como presioacuten de hinchamiento que permite obtener el valor de la
cohesioacuten
Aacutengulo de friccioacuten Se obtiene de la web del ingeniero civil denominada
Civilgeekscom Ingenieriacutea y Construccioacuten un blog peruano creado en
agosto de 2010 por John J Rojas descrito en la tabla 13 Paraacutemetros de
diferentes tipos de suelos en donde se tiene en cuenta el portal que se
dedica a compartir y difundir temas relacionados con la ingenieriacutea civil
desde artiacuteculos libros y manuales
Peso especiacutefico descrito en el paacuterrafo introductorio de seleccioacuten de
paraacutemetros geomecaacutenicos de la tabla 11 Propiedades fiacutesicas de los suelos
expansivos
64
Seleccioacuten de valores de sismo y Ru 732
Para la seleccioacuten del valor cuando hay presencia de sismo en la modelacioacuten del
talud se tiene en cuenta la norma NSR-10 TITULO A de donde se selecciona el
valor del coeficiente que representa la aceleracioacuten horizontal pico efectiva el cual
se determina en su maacuteximo valor de amenaza siacutesmica igual a 030 descrito en la
Tabla A23-1 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y de Av descrito en la
figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores Aa y Av
Figura 5 Nivel de amenaza siacutesmica seguacuten valores de Aa y Av
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo A Capitulo A2 Zona de Amenaza Siacutesmica y movimientos siacutesmicos de
disentildeo
El valor que se selecciona en el paacuterrafo anterior para una amenaza siacutesmica alta
se multiplica por el coeficiente Kst que se utiliza para el anaacutelisis y disentildeo de
taludes en donde se debe incluir la aceleracioacuten maacutexima del terreno teniendo en
cuenta el tipo de material terreo que se manejaraacute en el presente proyecto Tomado
de la tabla H52-1 de la norma sismo resistente Observado en la figura 6
Valores de Kst A max
65
Figura 6Valores de Kst A max
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5Excavaciones y estabilidad de taludes
Seleccionando el valor que pertenece a suelos enrocados y macizos muy
rocosos con un Kst de 080 ya que no se ejecutoacute ninguacuten anaacutelisis de amplificacioacuten
en los suelos expansivos de estudio
El valor se aproxima de 024 a 025 como coeficiente de aceleracioacuten de amenaza
siacutesmica en el disentildeo de los taludes en el software Slide reg
De tal manera que para el anaacutelisis de factor de seguridad de los taludes se tiene
en cuenta el capiacutetulo H en donde se especifican los valores maacuteximos para que el
talud se encuentre en amenaza por un fenoacutemeno de remocioacuten en masa El cual se
puede observar el la figura 7Factores de seguridad indirectos miacutenimos
66
Figura 7 Factores de seguridad Indirectos Miacutenimos
Fuente Norma Colombiana Sismo Resistente Titulo H Capitulo H5 Excavaciones y estabilidad de taludes
7321 Paraacutemetro de presioacuten de poros Ru
Teniendo en cuenta que el Ru es una relacioacuten de poros y esfuerzo vertical se
seleccionan valores de 00 01 025 04 y 05 en donde a medida que aumenta
dicho valor indica el nivel de agua contenido en el suelo del talud para el valor
00 el suelo se encuentra de estado natural-huacutemedo en 025 es un nivel de agua
medio en el talud y 05 talud saturado
67
Paraacutemetros geomeacutetricos 733
En la etapa de recoleccioacuten de datos se investigaron tesis relacionadas con el tema
de donde se tuvo en cuenta el documento desarrollado sobre Influencia Del
Abatimiento Del Nivel Freaacutetico En El Caacutelculo del Factor De Seguridad Para La
Estabilidad De Taludes realizado por el Ingeniero Leonardo Leuro Antildeo
2015Universidad La Gran Colombia
Para lo cual se seleccionan diferentes alturas en la geometriacutea del talud y aacutengulos
de inclinacioacuten estudiados en el proyecto descrito anteriormente los cuales fueron
Aacutengulos 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Alturas de talud de 10 m y 20 m
74 DESARROLLO DEL MODELO
A traveacutes de los paraacutemetros geomecanicos y geomeacutetricos anteriormente descritos
se disentildean taludes con diferentes condiciones con el fin de lograr un anaacutelisis
completo de lo que se presenta en campo descrito en la tabla 17 Matriz de
disentildeo
68
Tabla 16 Matriz de disentildeo para altura del talud de 10 m y 20 m con ru= 025 y 05
Fuente propia
De la cual se generan los modelos teniendo en cuenta los diferentes aacutengulos y
alturas en estado dinaacutemico y estaacutetico para diferentes valores de Ru de donde se
obtienen valores de factor de seguridad para el material de Arcilla de alta
plasticidad limo de alta plasticidad y arcilla de baja plasticidad en el cual se
evidencian los paraacutemetros geomecaacutenicos descritos a partir del numeral 73
Paraacutemetros geomecaacutenicos del presente documento
000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447 2416 2184 1937 1471 1307 1139 1468 1466 1465 0909 0907 0906
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670 1575 1365 1146 0993 0851 0705 0733 0731 0729 0492 0490 0489
10 1991 1983 1975 1404 1398 1392 2007 1817 1624 1380 1246 1111 1377 1376 1374 0882 0881 0880
20 1008 1000 0991 0677 0670 0664 1246 1073 0902 0887 0756 0626 0689 0687 0686 0466 0464 0463
10 1810 1804 1798 1345 1340 1336 1654 1479 1319 1248 1131 1015 1251 1250 1248 0868 0867 0866
20 0958 0951 0945 0649 0644 0638 1011 0858 0705 0763 0646 0527 0623 0622 0621 0460 0459 0458
10 1548 1542 1536 1242 1238 1233 1306 1141 0981 1107 0988 0858 1069 1068 1067 0831 0830 0830
20 0779 0773 0767 0587 0582 0578 0797 0640 0485 0648 0534 0406 0536 0535 0534 0403 0402 0402
30
45
60
75
RuALTURAANGULO
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
Ru Ru
0
Ru
025
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
C (KNM2) φ γ(KNM2)
35 15 146
Ru Ru
C (KNM2) φ γ(KNM2)
CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
0 025
35 01 151
69
Disentildeo de modelos estaacuteticos para diferentes suelos expansivos 741
Se realiza el disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en
condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 0 en
donde se indica una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Que se
observa en la figura 8Modelo en Slidereg para un CH de donde se obtiene el valor
de factor de seguridad que se muestra en la figura 9 Factor de seguridad CH
estaacutetico
Figura 8 Modelo en slide para un CH
Fuente Propia
70
Figura 9 Factor de seguridad CH estaacutetico
Fuente Propia
De esta manera se realiza este procedimiento para los materiales de MH Limo de
alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
Se lleva acabo el disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de aacutengulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico brindando asiacute un
factor de seguridad que se muestra en la figura 11 Factor de seguridad para MH
estaacutetico
71
Figura 10 Modelo en slide para un MH estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad para dicho modelo descrito en la
figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Figura 11 Factor de seguridad para MH estaacutetico
Fuente propia
72
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 00 y con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 0 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12Modelo de Slidereg para un CL estaacutetico
Figura 12 Modelo de slide para un CL estaacutetico
Fuente propia
De donde se obtiene el factor de seguridad del talud que se observa en la figura
13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Figura 13 Factor de seguridad de un CL estaacutetico
Fuente propia
73
En el proceso de modelacioacuten se incluye la condicioacuten de sismicidad en donde en el
Software SLIDEreg se agrega en LOADING seismic load y se coloca el valor de
025 como coeficiente de amenaza siacutesmica Aa
De esta manera se tiene en cuenta la condicioacuten dinaacutemica la cual se realiza en el
disentildeo de un talud compuesto por CH Arcillas de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 para una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros Observado en la figura
14Modelo en Slide para un CH dinaacutemico
Figura 14 Modelo en slide para un CH dinaacutemico
Fuente Propia
74
Del anterior disentildeo se logra obtener el factor de seguridad que se observa en la
figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Figura 15 Factor de seguridad CH dinaacutemico
Fuente Propia
Es asiacute como se lleva a cabo este procedimiento para los materiales de MH Limo
de alta plasticidad y CL Arcilla de alta plasticidad que se describe a continuacioacuten
El disentildeo de un talud compuesto por MH Limos de alta plasticidad en condiciones
de Ru 00 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica de Aa 025 con una
geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se observa en la figura
16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
75
Figura 16 Modelo en slide para un MH dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad observado en la figura 17 Factor de
seguridad para MH dinaacutemico
Figura 17 Factor de seguridad para MH dinaacutemico
Fuente propia
Se realiza el disentildeo para un talud con presencia de CL Arcillas de baja
plasticidad en condiciones de Ru 0 y con un coeficiente de Aceleracioacuten siacutesmica
de Aa 025 con una geometriacutea de Angulo de 30ordm y altura de 10 metros el cual se
observa en la figura 12 Modelo de Slide para un CL estaacutetico el cual se observa
76
en la Figura 18 Modelo de Slide para un CL dinaacutemico
Figura 18 Modelo de slide para un CL dinaacutemico
Fuente propia
Del cual se obtiene el factor de seguridad del talud en condicioacuten de sismo visto
en la figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Figura 19 Factor de seguridad para un CL dinaacutemico
Fuente propia
77
De esta manera se modifican en el modelo los valores de Ru=0 025 y 05 y las
alturas de 10m y 20m con aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
relacionaacutendolos entre siacute obteniendo el factor de seguridad para condiciones
estaacuteticas en 144 modelos en condiciones estaacuteticas y dinaacutemicas En la segunda
modelacioacuten se realiza el mismo procedimiento con 120 modelos incluyendo
valores de Ru= 01 y 04 con una altura especifica de 10 metros para diferentes
aacutengulos
De donde se obtiene como resultado la matriz de factores de seguridad que se
muestra en la tabla 17 Valores de factor de seguridad
Tabla 17Valores de factor de seguridad
Fuente propia
De estos resultados se efectuacutea el anaacutelisis de graacuteficas que se observa en el
numeral 8anaacutelisis de resultados comparando el factor de seguridad vs el aacutengulo
para diferentes alturas del talud con presencia de CH MH y CL en
condiciones dinaacutemicas y estaacuteticas como se muestra en la figura 20 Comparacioacuten
de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para Ru=00
CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
000 025 050 000 025 050
10 2127 2116 2105 1460 1454 1447
20 1033 1018 1003 0684 0677 0670
0
Ru
025
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
C (KNM2) φ γ(KNM2)
469 06 141
30
RuALTURAANGULO
78
Figura 20 Comparacioacuten de factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten
estaacutetica para Ru=00 CH MH y CL para alturas de 10 m y 20 m
Fuente propia
De esta manera para los 120 modelos donde los Ru= 00 01 025 04 y 05 con
una altura de 10 metros y aacutengulos de inclinacioacuten de 30ordm 45ordm 60ordm y 75 ordm se
elaboran las graacuteficas en Excel con el fin de hacer una comparacioacuten de cada uno
de los aacutengulos con respecto al valor de factor de seguridad vs ru en estado
dinaacutemico y estaacutetico que se muestra en la Figura 21 Graacutefica Factor de seguridad
Vs Ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y altura de 10 m en CH
MH y CL de esta manera se estudian los comportamientos respectivamente en el
iacutetem 8anaacutelisis de resultados
79
Figura 21 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente propia
Con el fin de obtener la cohesioacuten a la que un talud compuesto por suelos
expansivos con aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm a una altura de 10 metros cumple
con los factores de seguridad expuestos en el numeral 732 Seleccioacuten de valores
de sismo y ru en estado estaacutetico y dinaacutemico se ejecuta una sensibilizacioacuten del
paraacutemetro cohesioacuten para los diferentes modelos modificando asiacute el valor de ru
en 00 01 025 04 y 05 siendo 00 la condicioacuten seca o en estado natural del
suelo 025 condicioacuten intermedia de nivel de agua en el talud y 05 condicioacuten de
saturacioacuten mientras que 01 y 04 son valores intermedios
Se realiza el siguiente procedimiento con cada uno de los modelos en donde se
encuentra una modificacioacuten de la geometriacutea (aacutengulo) el valor ru y su condicioacuten
estaacutetica o dinaacutemica
80
1 Se toma como ejemplo el modelo de talud para10 metros con un aacutengulo
de 30ordm con material de arcilla de alta plasticidad se verifica que se
encuentre la seleccioacuten en anaacutelisis Project settings statistics y se
selecciona sensitivity analysis Como se muestra en la figura 22
Sensitividad de paraacutemetros
Figura 22 Sensitividad de paraacutemetros
Fuente propia
2 Se seleccionan las variables y se escriben los valores de cohesioacuten que en
este caso son de 469 knm2 para CH 35 knm2 para CL y 35 knm2 para
MH en cada uno de los modelos correspondientes a cada material y con
su respectiva geometriacutea determinando los rangos de las variables que en
este caso se manejan 20 por encima y por debajo para el CH y 30 por
encima y por debajo para el CL y MH como se muestra en la figura 23
Rangos de variables
81
Figura 23 Rangos de variables
Fuente propia
3 Se corre el modelo con el fin de obtener la falla que presenta el talud y
cuando se obtiene se da clic en statistics sensitivity analysis plot se
selecciona cohesioacuten y el meacutetodo que para este caso es bishop y se da clic
en plot de donde se obtiene la graacutefica factor de seguridad vs cohesioacuten Que
se muestra en la figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud
compuesto por CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
82
Figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por CH con altura de
10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm
Fuente propia
4 La figura 24 Factor de seguridad vs cohesioacuten para un talud compuesto por
CH con altura de 10 m y aacutengulo de inclinacioacuten de 30ordm se exporta a Excel y
se realiza el mismo procedimiento para los aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
para cada uno de los materiales CH MH y CL de donde se modifica la
condicioacuten de ru y de estaacutetico a dinaacutemico de donde se obtienen las graacuteficas
correspondientes a cada uno de los aacutengulos por cada material Como se
muestra en la figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH CL y
MH con altura de 10 m con ru=00 01025 04 y 05 en condicioacuten
estaacutetica y seudo-estaacutetica
83
Figura 25Factor de seguridad vs cohesioacuten para un CH con altura de 10 m con ru=00 en
condicioacuten estaacutetica
Fuente propia
5 Al obtener las graacuteficas para CH MH y CL con condiciones de ru=00 01
025 04 y 05 se traza un liacutenea horizontal en el valor de 15 para condicioacuten
estaacutetica y en 105 para condicioacuten dinaacutemica que se describen en la tabla
7Factores de seguridad indirectos miacutenimos tomados de la NSR-10 y una
liacutenea vertical que intersecta con la liacutenea horizontal con las pendientes
correspondientes a cada uno de los valores de factor de seguridad vs
cohesioacuten que se realiza para cada aacutengulo encontrando asiacute el valor de
cohesioacuten de tal manera que los mismos indican que para las condiciones
geomeacutetricas descritas los valores de cohesioacuten que se muestran en el
anexo 4 Valores de cohesioacuten para suelos expansivos cuando se tiene un
84
valor menor al mostrado en la tabla los valores de factor de seguridad no
cumplen y es necesario realizar una modificacioacuten en el talud con el fin de
obtener estabilidad en la estructura El procedimiento para la obtencioacuten del
valor de cohesioacuten se realiza como se muestra en la figura 26 Valor de
cohesioacuten para un CH con ru=00 en condicioacuten estaacutetica para aacutengulos de
30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
Figura 26Valor de cohesioacuten para un CH CL y MH con ru=00 01 025 04 y 05 en
condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulos de 30ordm 45ordm 60ordm y 75ordm
85
86
87
88
89
Fuente propia
6 A traveacutes de este proceso se obtienen los resultados que se muestran en el
anexo 4Valores de cohesioacuten para suelos expansivos
90
8 ANALISIS DE RESULTADOS
A continuacioacuten se presentan los resultados y anaacutelisis de comportamiento de los
taludes compuestos por suelos expansivos Dichos resultados se asocian al valor
de factor de seguridad de los modelos disentildeados en el software Slidereg de
acuerdo a paraacutemetros geomecaacutenicos descritos en el titulo 73 Seleccioacuten de
paraacutemetros encontrados en el libro Expansive Soils de Amer Ali Al-Rawas amp
Mattheus FA Goosen de tal manera que los resultados se asocian a diferentes
condiciones como los son dinaacutemicos y estaacuteticos y cambios en el valor de ru con
respecto a alturas de 10 metros y 20 metros
Figura 27 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=0 en
CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 27 se analiza un comportamiento la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten en un 28 para estado
estaacutetico dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
91
expansivos siendo evidente que la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) tanto
para la altura de 10m como para la de 20m presenta un porcentaje de reduccioacuten
136 y 212 en comparacioacuten a los demaacutes tipos de suelos expansivos debido
a que tiene menor consistencia
Por lo tanto el limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor
aacutengulo de inclinacioacuten muestra un factor de reduccioacuten de 59 sin embargo su
factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada
a medida que aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas es menor
al aumentar la inclinacioacuten del talud FS disminuyendo de manera leve
En la graacutefica se evidencia que cerca de los 60deg de inclinacioacuten del talud para una
altura de 20 m MH y CH se comportan de manera similar con un factor de
seguridad de 101 y 096 equivalente al 55 respectivamente lo que indica
inestabilidad seguacuten la norma NSR-10 Tiacutetulo H Tabla H69-1 donde se especifica
que la estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetico debe ser
de 150 Mientras que en un talud de 10 m cerca de los 45deg de inclinacioacuten tanto el
MH como el CH presentan un comportamiento similar con un factor de seguridad
de 2 cumpliendo el factor miacutenimo que rige la Norma NSR-10
Al observar en la graacutefica la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) en un talud
de 20 m a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten presenta inestabilidad auacuten en condicioacuten
estaacutetica y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru
Finalmente en condiciones estaacuteticas y sin afectacioacuten del paraacutemetro ru el material
oacuteptimo es CH solo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier
inclinacioacuten muestra estabilidad con un factor de reduccioacuten del 28 Cumpliendo
con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
92
Es asiacute como es preciso aclarar que en cualquier caso el FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura
Figura 28 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 28 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y el paraacutemetro ru dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un talud de altura de 20m
cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 correspondiente a
150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo representa con
paraacutemetro ru el cual afecta de manera directa al talud
Uno de los factores de gran importancia es la geometriacutea que representa el talud
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 ESTAacuteTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
93
debido a que para un talud de 10 m hasta 20 metros el factor de reduccioacuten oscila
entre el 40 al 60
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo su factor de seguridad
disminuye con una representacioacuten de pendiente maacutes inclinada a medida que
aumenta el aacutengulo mientras que la pendiente en arcillas (C) es menor al
aumentar la inclinacioacuten del talud el FS disminuye de manera leve Este
comportamiento continua siendo caracteriacutestico de este material pues al ser
comparado con la Figura 27 el material es inadecuado no solo al aumentar la
inclinacioacuten sino tambieacuten a la presencia de agua en el suelo
En la graacutefica se puede evidenciar que cerca de los 50deg de inclinacioacuten para una
altura de 20 m MH y CH se comportan con un valor de 17 de manera diferente
quiere decir que su porcentaje restante su comportamiento es igual Sin llegar a
cumplir con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de 10 m
cerca de los 30deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CH presentan un
comportamiento similar cumpliendo con FS=21
Finalmente en condiciones estaacuteticas y con ru=025 el material oacuteptimo es CH
soacutelo en un talud de 10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra
estabilidad modificado con el 28 de probabilidad Cumpliendo con el valor
miacutenimo establecido en la NSR-10
Entonces es preciso aclarar que en cualquier caso FS inversamente proporcional
al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
94
Figura 29 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten estaacutetica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 29 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten de FS al
aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten y en condicioacuten criacutetica de saturacioacuten con ru=05
dicho comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten estaacutetica ninguno de los materiales analizados en un
talud de altura de 20m cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-
10 correspondiente a 150 esto se debe a que la presencia de agua en el suelo
afecta de manera directa al talud y al comportamiento mecaacutenico del suelo
El limo inorgaacutenico de alta plasticidad (MH) es el material que a menor aacutengulo de
inclinacioacuten muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
0000
0500
1000
1500
2000
2500
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 ESTAgraveTICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
95
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material genera
condiciones inadecuadas no solo al aumentar la inclinacioacuten sino tambieacuten a la
presencia de agua en el suelo En donde se evidencia que para un CH con
presencia de ru= 00 hasta ru=05 su factor de reduccioacuten se ve modificado en un
1 mientras que para MH da un valor de 1982 y para un CL de 01
Cabe resaltar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para una altura de 20 m MH y
CH se comportan de manera similar con un FS=100 lo que indica estabilidad
pero no cumple con el FS=15 que indica la NSR-10 Mientras que en un talud de
10 m cerca de los 70deg de inclinacioacuten tanto el MH como el CL presentan un
comportamiento similar con FS=125 A partir de eacuteste uacuteltimo anaacutelisis es importante
aclarar que el MH ya no se relaciona con el comportamiento del CH sino del CL
Finalmente en condiciones estaacuteticas y condicioacuten criacutetica de ru=05 el material
oacuteptimo sigue siendo CH como en los casos anteriores pero solo en un talud de
10 m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con factores
de reduccioacuten que no cambian bruscamente si no que oscilan entre el valor de
338 hasta 332 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo lo descrito anteriormente indica que en cualquier caso se analiza que el
FS es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la altura y al ru
96
Figura 30 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=000
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 30 se analiza un comportamiento en la disminucioacuten del factor de
seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho comportamiento difiere
entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo evidente que para condicioacuten
dinaacutemica con un coeficiente de aceleracioacuten siacutesmica de 025 descrito en la
seleccioacuten de valores de sismo (iacutetem 732) del presente proyecto ninguno de los
materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m de
altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo afecta de
manera directa al talud
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=00 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
97
El MH es el material que a menor aacutengulo de inclinacioacuten de 51ordm en condiciones
dinaacutemicas muestra el mejor comportamiento sin embargo continuacutea siendo
significativo que su factor de seguridad disminuye con una representacioacuten de
pendiente maacutes inclinada a medida que aumenta el aacutengulo el material presenta
comportamientos mecaacutenicos deacutebiles no solo al aumentar la inclinacioacuten sino
tambieacuten a la presencia de un sismo lo cual se evidencia en el 187 con ru=00
y se evidencia en ru=05 con un porcentaje de 669
De tal manera se evidencia que a los 45deg de inclinacioacuten para el MH en un talud
de altura de 20 m y un CL con un talud de 10 m de altura se comportan de
manera similar comparaacutendolo con una diferencia del 08 de tal manera que a
pesar de sus diferencias dichos factores le generan inestabilidad a el talud Por
lo tanto para un aacutengulo de inclinacioacuten de 30deg y una altura 10 m su inferencia con
respecto al factor de seguridad es del 1 cumpliendo asiacute para los valores
descritos en la matriz de resultados con la NSR-10
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo sigue siendo CH como
en los casos anteriores ya que cumple con el 313 pero solo en taludes de 10
m de altura puesto que a cualquier inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre
1242 y 146 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10
Todo ello indica que en cualquier caso se analiza que FS es inversamente
proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten y a la altura aun en condiciones dinaacutemicas
98
Figura 31 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=025
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 31 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales que se analizan en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de
10 m de altura cumple con el factor de seguridad establecido por la NSR-10
correspondiente a 105 esto se debe a que la presencia de sismo y de agua en el
suelo afecta de manera directa al talud teniendo en cuenta que el factor de
reduccioacuten para un CH es de 505 en condiciones de 75ordm de inclinacioacuten
mientras que para MH es mayor pues es de 628 y para el CL de 504
De esta manera se observa que a los 60deg de inclinacioacuten para el MH y el CL en un
talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un factor de
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=025 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
99
reduccioacuten de 256 lo que indica inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta
para todos los materiales en un talud de 20 m de altura y en una altura de 10 m
para los CL
Finalmente en condiciones dinaacutemicas el material oacuteptimo continuacutea siendo CH
como en los casos anteriores pero solo en un talud de 10 m de altura puesto que
frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra estabilidad con FS entre 1238 y
1454 Cumpliendo con el valor miacutenimo establecido en la NSR-10 Sin embargo el
MH tambieacuten se comporta de manera adecuada hasta inclinaciones de 60deg puesto
que bajo estas condiciones presenta FS entre 1131 y 1307
Figura 32 Factor de seguridad vs aacutengulo de inclinacioacuten en condicioacuten dinaacutemica para ru=050
en CH MH y CL para alturas 10 m y 20 m
Fuente Propia
En la Figura 32 se analiza un comportamiento inadecuado en la disminucioacuten del
factor de seguridad (FS) al aumentar el aacutengulo de inclinacioacuten dicho
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
30 40 50 60 70 80
FS
βordm
Ru=05 DINAacuteMICO
CH H=10 m
MH H=10 m
CL H=10 m
CH H=20 m
MH H=20 m
CL H=20 m
100
comportamiento difiere entre cada uno de los tres suelos expansivos siendo
evidente que para condicioacuten dinaacutemica y presencia de agua en el suelo ninguno de
los materiales analizados en un talud de altura de 20m ni el CL del talud de 10 m
de altura cumplen con el factor de seguridad establecido por la NSR-10 esto se
debe a que la presencia de sismo y de agua en el suelo afecta de manera directa
al talud siendo el factor de reduccioacuten para las arcillas cercano al 1 mientras que
para los limos da superior al 20
Es asiacute como se puede observar que cerca de los 40deg de inclinacioacuten para el MH y
el CL en un talud de 20 m de altura se comportan de manera similar con un
porcentaje igual de 447 lo que con lleva a que el comportamiento mecaacutenico del
suelo no es igual y genera inestabilidad Dicha inestabilidad se presenta para
todos los materiales en un talud de 20 m de altura y el CL en una altura de 10 m
En condiciones dinaacutemicas el material con las mejores caracteriacutesticas se suelo es
el CH como en todos los casos mencionados anteriormente pero solo en un talud
de 10 m de altura puesto que frente a cualquier aacutengulo de inclinacioacuten muestra
estabilidad con FS entre 1233 y 1447 Sin embargo el MH tambieacuten se comporta
de manera adecuada hasta inclinaciones de 45deg puesto que bajo estas
condiciones presenta FS entre 1111 y 1139
Es asiacute como se concluye que FS es inversamente proporcional al aacutengulo de
inclinacioacuten a la altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica al ser comparado
entre los modelos con las diferentes condiciones de sismo
Es evidente la influencia que tiene la presencia de agua en los suelos expansivos
a continuacioacuten se presenta un anaacutelisis del comportamiento de los suelos ante la
variacioacuten del paraacutemetro ru para taludes con una altura de 10m con el fin de
analizar cuaacutel de estos materiales se ve maacutes afectado por dicho paraacutemetro
101
Figura 33 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 30deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 33 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad (FS) de manera
insignificante al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y 05 con
factores de reduccioacuten de 392 hasta 328 desde 30ordm de inclinacioacuten hasta 75ordm
respectivamente cumpliendo con el factor de seguridad descrito en la NSR-10
(15 en condicioacuten estaacutetica) A diferencia del limo inorgaacutenico de alta plasticidad
(MH) que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a medida que
aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS entre 2416 y 1937 Por otro lado la
arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad (CH) disminuye FS de 2127 a 2105 a medida
que aumenta el paraacutemetro ru
A partir de lo mencionado es claro que el factor de seguridad es inversamente
proporcional al paraacutemetro ru puesto que a mayor presencia de agua en el suelo
0000
0500
1000
1500
2000
2500
3000
000 020 040 060
FS
RU
30ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
102
menor factor de seguridad el cual se hace evidente en el cambio que se presenta
para los diferentes materiales que como ejemplo se cita del CH que para un
aacutengulo de 30ordm 10 metros de altura con ru=0 hasta 05 brinda un factor de
reduccioacuten del 1034
Se evidencia que el CH tiene un comportamiento constante frente al cambio del
factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas cumplen con respecto al valor
brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se establece
a 105 pues los valores del FS oscilan entre 1460 hasta 1447 que comparado
con el material de MH para un aacutengulo de 30ordm la diferencia estaacute en un 1306
mientras que para el CL es de 309
El CL el FS es de 0909 hasta 0906 donde el ru=00 y ru=05 teniendo
posibilidades altas de falla con respecto a los materiales CH y MH siendo
afectado cada uno de los suelos por la condicioacuten dinaacutemica que hace a los
materiales propensos para que ocurra fenoacutemenos por remocioacuten en masa
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 30deg y una altura de 10 m
todos los materiales son oacuteptimos siendo MH el mejor de ellos representado en
porcentajes de 1982 hasta el 3914 Mientras que en dinaacutemico el CL No
cumple en ninguacuten momento con los paraacutemetros establecidos por la norma sismo
resistente mientras que los otros materiales si hasta cierto aacutengulo de inclinacioacuten
como se especifica en el anexo 3 Modelacioacuten adecuada para taludes compuestos
por suelos expansivos
103
Figura 34 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 45deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 34 la arcilla inorgaacutenica de baja plasticidad (CL) describe un
comportamiento constante que disminuye el factor de seguridad a medida que
aumenta el contenido de agua en el suelo al igual que el CH y MH
De tal manera que para el material CH los valores de ru=00 entre el 1 al 29
esto se debe a que la modificacioacuten que le pueda llegar a generar el agua al suelo
es miacutenima frente al resto de materiales pues en el MH da un valor del 30 Lo
cual indica que existe un paso raacutepido del agua por las partiacuteculas del suelo
generando asiacute que en condicioacuten estaacutetica para una inclinacioacuten de 45deg el CL no
cumpla con respecto al factor de seguridad de la norma NSR-10 mientras que
MH y CL si siendo CH el material maacutes oacuteptimo para estas condiciones de talud
Se infiere que al aumentar el aacutengulo a 45ordm el factor de seguridad disminuye
siendo dicho valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0500
1000
1500
2000
2500
000 020 040 060
FS
RU
45ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
104
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 se observa que para los
suelos CH y MH cumple para el aacutengulo de 45ordm mientras que para el suelo CL no
cumple con dicha condicioacuten cuando presenta un fenoacutemeno de sismo
Figura 35 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 60deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
De la Figura 35 se evidencia que CL describe un comportamiento constante que
disminuye FS en un 27 al ser alterado con diferentes valores de ru entre 0 y
05 con FS entre 024 a 044 respectivamente incumpliendo la NSR-10 A
diferencia del MH que aun presentando disminucioacuten en el factor de seguridad a
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
000 020 040 060
FS
RU
60ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
105
medida que aumenta el paraacutemetro ru cumple con FS Por otro lado en el suelo
compuesto por CH disminuye en 14 a medida que aumenta la condicioacuten de
agua
Se observa que el CH presenta un comportamiento constante frente al cambio
del factor ru valores que en condiciones dinaacutemicas que cumplen con respecto al
valor brindado en la norma sismo resistente Colombiana que como liacutemite se
establece a 105
De tal manera que el comportamiento para el MH se evidencia que el FS es
inversamente proporcional al factor ru debido que al aumentar las condiciones de
ru en el talud el FS disminuye cumpliendo con el valor miacutenimo descrito en NSR
10 hasta un ru de 04
En conclusioacuten para condicioacuten estaacutetica con inclinacioacuten de 45deg y una altura de 10 m
solo el CH y MH cumplen con el factor siendo materiales oacuteptimos para el disentildeo
siendo CH el mejor de ellos en condicioacuten dinaacutemico el CL no cumple con el factor
de seguridad miacutenimo establecido mientras que el CH es un material oacuteptimo para
las diferentes condiciones establecidas el MH en cambio cumple con aacutengulos
menores a 72ordm con un ru=025 mientras que en condiciones totalmente
saturadas cumple para aacutengulos de inclinacioacuten menores a 59ordmcomo se evidencia
en el anexo 3modelacioacuten adecuada para taludes compuestos por suelos
expansivos
106
Figura 36 Factor de seguridad vs ru en condicioacuten estaacutetica y dinaacutemica para aacutengulo 75deg y
altura de 10 m en CH MH y CL
Fuente Propia
En la figura 36 se evidencia que para condiciones estaacuteticas el FS se cumple
para el material de CH mientras que para los otros materiales de MH y CL no
cumple con las condiciones debido a que se encuentra por debajo de lo
establecido que es de 15 con la altura de 10 m De esta manera se evidencia en
los tres materiales que el FS es inversamente proporcional al ru con cambios de
08 en el valor del ru=0 hasta un 15 para un CH mientras que para el MH
varia entre el 2488 hasta el 3734 y para un CL la variacioacuten es de 018 a
025 pues entre mayor es dicho coeficiente menor es el factor de seguridad
Siendo afectado igualmente por el aacutengulo de inclinacioacuten y la geometriacutea del talud
Es asiacute como se infiere que al aumentar el aacutengulo a 75ordm el factor de seguridad
disminuye siendo el valor directamente proporcional con el coeficiente ru pues se
0000
0200
0400
0600
0800
1000
1200
1400
1600
1800
000 020 040 060
FS
RU
75ordm
CH ESTAacuteTICO
MH ESTAacuteTICO
CL ESTAacuteTICO
CH DINAacuteMICO
MH DINAacuteMICO
CL DINAacuteMICO
107
observa que para un talud que se encuentra compuesto por un CH al aumentar el
valor de ru se ve afectado de una manera constante debido a la composicioacuten del
suelo y su conformacioacuten de partiacuteculas lo que no ocurre con el MH que presenta
una pendiente maacutes alta con respecto a CH y CL
Por lo tanto al observar los paraacutemetros que tiene en cuenta la norma sismo
resistente colombiana del valor miacutenimo que es de 105 cuando se encuentra
amenazado por un factor de sismo se observa que para los suelos CH cumple
para el aacutengulo de 75ordm mientras que para el suelo MH cumple hasta condiciones
de ru= 01 lo que indica que para condiciones de ru= 025 04 y 05 no cumpliriacutea
con dicha condicioacuten es asiacute como se observa el CL no cumple las condiciones
miacutenimas para el factor de seguridad en condiciones dinaacutemicas
Al realizar los diferentes modelos con las condiciones descritas se observa que el
paraacutemetro geomecaacutenico que modifica el comportamiento de los suelos expansivos
presentes en un talud es la cohesioacuten por lo tanto se ejecuta sensibilizacioacuten del
paraacutemetro y se hace una anaacutelisis del comportamiento que presenta frente a
cambios de geometriacutea y paraacutemetro ru de donde se observa que de los valores
descritos en el anexo 4 Para un ru establecido con una altura y aacutengulos
seleccionados se debe tener una cohesioacuten mayor al valor presentado en la tabla
pues se tiene en cuenta que a partir de un factor de seguridad en condiciones
estaacuteticas 15 los valores de cohesioacuten deben estar por encima de dicho valor
mientras que en condiciones dinaacutemicas deben estar por encima del valor de 105
lo que indica que entre mayor sea el valor de cohesioacuten a los valores determinados
mayor seraacute la atraccioacuten y unioacuten de las partiacuteculas del suelo evitando asiacute que se
presente un proceso de remocioacuten en un talud aumentando respectivamente el
factor de seguridad
108
9 CONCLUSIONES
Se definieron los paraacutemetros geomecaacutenicos de los materiales que se analizan en
cada una de las modelaciones (arcillas y limos) a partir de la informacioacuten descrita
en los antecedentes del presente trabajo de grado Gracias al libro de Amer Ali Al-
Rawas amp Mattheus FA Goosen Expansive Soil En Effect of remolding
techniques on soil swelling and shear strength properties Londres Taylor amp
Francis e-Library 2006 a partir del cual se obtiene detalle sobre los
comportamientos de suelos expansivos en taludes de tal manera que se ejecutan
diferentes modelaciones en las que se tienen en cuenta cambios en la geometriacutea
con el fin de comparar los factores de seguridad a traveacutes de graacuteficas de las cuales
se concluyoacute
El factor de seguridad es inversamente proporcional al aacutengulo de inclinacioacuten a la
altura y al ru en condicioacuten dinaacutemica y estaacutetica de donde se observa
detalladamente la influencia de la altura en el disentildeo del talud en el cual se
identifica que para alturas de 20 m conformado por este tipo de suelos bajo esta
condiciones de modelacioacuten los factores de seguridad tanto en condiciones
dinaacutemicas como estaacuteticas estaacuten por debajo del valor descrito en la Norma Sismo
Resistente Colombiana tiacutetulo H tabla H69-1 en donde se especiacutefica que la
estabilidad general del sistema permanente en condicioacuten estaacutetica debe ser de 150
y para condicioacuten dinaacutemica 105 sin embargo para los taludes con alturas de 10 m
se identifica que los suelos compuestos por arcilla inorgaacutenica de alta plasticidad
(MH) son materiales con excelentes comportamiento en condicioacuten estaacutetica y
dinaacutemica mientras que el limo inorgaacutenico de alta plasticidad es oacuteptimo en
condiciones criacuteticas con sismo y ru=05 para inclinaciones de 45deg o menores y
con sismo y ru=025 inclinaciones de 60deg o menores
109
La arcilla de alta plasticidad (CH) contiene una cohesioacuten mayor comparada a la
de la arcilla de baja plasticidad (CL) y al limo de alta plasticidad (MH) lo que
indica una mayor resistencia a la presencia de agua lo que genera mayor
estabilidad en el talud asiacute mismo el CH por presentar un valor de liacutemite liacutequido
mayor es susceptible al cambio de estado de plaacutestico a liacutequido contrario a lo que
sucede con el MH ya que su liacutemite plaacutestico es mayor al resto de los suelos debido
a esto es susceptible al cambio de estado de semi-soacutelido a plaacutestico De igual
manera para que la arcilla de alta plasticidad cambieacute de estado es necesario que
el suelo presente un mayor valor de ru=05 que en suelos expansivos este valor
es hasta 067
Para las modelaciones que se realizan en el presente proyecto se utiliza el
software Slidereg el cual resulta de faacutecil manejo con respecto al anaacutelisis del factor
de seguridad en diferentes condiciones de ru en estado dinaacutemico y sismo Asiacute
mismo el meacutetodo utilizado (Bishop simplificado) es un meacutetodo que a pesar de solo
satisfacer el equilibrio de momentos y no cumplir con la totalidad de las
ecuaciones de la estaacutetica presenta exactitud frente a los resultados que se
obtienen en comparacioacuten al meacutetodo ordinario El cual utiliza las dovelas en donde
se tiene en cuenta las fuerzas entre las mismas siendo el maacutes utilizado para
calcular el factor de seguridad de los taludes la uacutenica restriccioacuten que presenta es
que solo considera las superficies de falla circulares
Con respecto al aacutengulo de inclinacioacuten en un talud el mismo tiene una afectacioacuten
directa del factor de seguridad ya que a medida que la reconformacioacuten geomeacutetrica
del talud aumenta se genera una condicioacuten de inestabilidad directa con respecto
a la geometriacutea lo que se evidencia en las graacuteficas para un talud de 30ordm a 75ordm
respectivamente en un 28 en estado estaacutetico y un 16 en estado dinaacutemico para
un MH en estado estaacutetico es un factor de reduccioacuten de 59 mientras que en
dinaacutemico es del 42 y para CL es de 27 para dinaacutemico y estaacutetico
110
10 RECOMENDACIONES
Dentro de las recomendaciones se exponen las diversas limitaciones existentes en
cuanto a paraacutemetros geomecaacutenicos que se usan en las modelaciones y los
meacutetodos para observar el comportamiento mecaacutenico del suelo y el caacutelculo del
factor de seguridad
Para los paraacutemetros geomeacutetricos de los taludes modelados se recomienda el
disentildeo de taludes de 45deg a 60deg dependiendo del espacio del terreno ya que una
mayor inclinacioacuten implica mayores costos y el talud se hace susceptible a sufrir
procesos de remocioacuten en masa Asiacute mismo se recomiendan alturas de 10 m para
este tipo de suelos expansivos ya que mostraron mejores factores de seguridad
Cuando se tiene presencia de limos de alta plasticidad se hace necesario tener
inclinaciones en los taludes menores a 67ordm con alturas de 10m y Ru=0 mientras
que para un Ru=025 se recomienda hacer el disentildeo de un talud con una
inclinacioacuten menor a 51ordm y en estado dinaacutemico con una inclinacioacuten menor a 72ordm y
con un Ru=05 menor a 59ordm con el fin de que cumpla con los criterios descritos en
la Norma Sismo Resistente Colombiana titulo H
Para obtener el disentildeo de un talud en el presente proyecto de grado se
recomienda tener precisioacuten en el suelo sobre el cual se vaya a disentildear debido a
que se presenta los paraacutemetros geomecaacutenicos para resultados de factores de
seguridad que dependen por completo de la definicioacuten de los mismos y al
variarlos no se comportaraacuten de la manera en que se analizoacute en el presente trabajo
de grado Esto se comprueba durante la modelacioacuten realizada debido a que se
generan diferentes modelos con diferentes paraacutemetros geomecaacutenicos no
mencionados en el presente trabajo pero si tenidos en cuenta para la seleccioacuten
de los mismos
111
En la modelacioacuten de taludes del proyecto se utilizoacute el meacutetodo de Bishop
Simplificado para la modelacioacuten en el software Slidereg de tal manera que la
modelacioacuten queda abierta a la utilizacioacuten de los diversos meacutetodos existentes
112
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1
ANEXO 1
COMPARACIOacuteN DE FACTORES DE SEGURIDAD
Fuente propia
ANGULO
(ordm) H(m) RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05
10 136 80 08 212 309 304 377 374 136 79 07 213 392 244 382 204 392 244 382 205 309 304 377 374
20 525 178 17 202 290 273 281 270 525 143 452 52 535 364 505 306 534 364 505 306 290 273 281 270
10 08 178 17 201 308 304 372 368 08 178 17 202 313 154 361 207 313 154 361 208 308 304 372 368
20 236 90 310 57 316 308 312 303 236 89 310 57 440 239 475 260 447 240 475 260 316 308 312 303
10 86 266 72 240 308 305 355 352 86 266 72 240 243 54 305 147 244 54 305 147 308 306 355 352
20 55 253 176 173 350 343 291 282 55 254 176 174 384 119 397 131 384 119 397 131 349 343 291 282
10 156 361 109 304 309 305 331 327 156 361 19 34 182 88 249 33 182 88 249 33 309 305 331 327
20 23 367 104 298 312 303 313 304 23 368 104 298 328 101 378 10 328 101 378 10 312 304 314 305
ANGULO
(ordm) H(m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICOESTAacuteTICO DINAgraveMICO RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 RU=00 RU=05 ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 10 09 1982 2250 020 033 313 313 413 412 380 381
20 29 20 1333 2900 191 061 338 332 369 385 329 329
10 08 09 1908 1940 022 022 295 295 312 316 359 324
20 17 19 2760 2940 043 064 328 340 288 363 360 325
10 07 07 2025 1860 024 023 257 257 245 200 306 306
20 14 17 3026 3093 032 044 323 325 245 252 262 262
10 08 07 2488 2249 018 010 198 200 152 124 223 222
20 15 15 3914 3734 037 025 246 246 187 163 248 24775
45
60
462
475
472
516505
546
578
633
503
502
503
504
ALTURA DE 10 metros A 20 metros
460
473
526
535
527
551
574
628
CH MH CL
528
502
478
521
CH MH CL
DE ESTAacuteTICO A DINAacuteMICO
RU=00 A RU=05
CL
ESTATICO DINAMICO
RU=00 A RU=05 RU=00 A RU=05
CL
MH CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
CAMBIO DE RU
MH
30
MH
CH CL
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTATICO DINAMICO
30
45
60
75
CH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
MH CL
ESTATICO DINAMICO
116
2
ANEXO 2
PORCENTAJE DE CAMBIO DE FACTOR DE SEGURIDAD EN RELACIOacuteN A LA GEOMETRIacuteA
Fuente propia
H (m) ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
10 28 16 59 42 27 27
20 26 16 69 59 9 18
CH MH CL
CON INCLINACIONES DE 30ordm A 75ordm
117
3
ANEXO 3
MODELACIOacuteN ADECUADA PARA TALUDES COMPUESTOS POR SUELOS EXPANSIVOS
Fuente propia
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
NO CUMPLE
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CUMPLE X X lt669ordm X lt59ordm X lt51ordm X X X X X X X lt72ordm X lt59ordm
NO CUMPLE gt67ordm gt60ordm X gt52ordm X gt73ordm gt60ordm X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ALTURA(m) ANGULOS (ordm) 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
10 CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
CUMPLE
NO CUMPLE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
CH
10
20
RU=00 RU=025 RU=05RU=00 RU=025 RU=05
20
MH
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
10
20
CL
RU=00 RU=025 RU=05 RU=00 RU=025 RU=05
ESTAacuteTICO DINAacuteMICO
118
4
ANEXO 4
VALORES DE COHESIOacuteN PARA SUELOS EXPANSIVOS
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 325 352 39 45 33 36 39 46 36 38 43 50 34 36 395 465 335 36 40 465
MH C(Knm2) 15 235 31 42 23 32 39 44 20 27 36 475 23 30 38 51 223 31 40 52
CL C(Knm2) 39 42 49 58 36 39 42 50 33 35 39 45 36 385 425 495 359 389 43 495
DINAacuteM
ICA
RU RU RU RU RU
ESTAacuteTI
CARU RU RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
RU
0 01 025 04 05
30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75 30 45 60 75
CH C(Knm2) 34 353 36 392 34 35 36 391 34 352 37 40 34 353 37 40 34 353 37 40
MH C(Knm2) 0 0 0 328 0 0 30 347 0 0 32 375 0 31 348 408 30 33 36 425
CL C(Knm2) 404 42 424 443 404 42 425 442 40 418 42 442 405 42 424 442 408 419 42 442
DINAacuteM
ICA
RU RU
04 05
RU
025
ANGULOS (ordm)ANGULOS (ordm)
0
RU RU
ANGULOS (ordm) ANGULOS (ordm)
01
ANGULOS (ordm)
119
![Universidad Politécnica de Madrid...[RA09] Ajustar los parámetros de un controlador PID para alcanzar unas determinadas especificaciones de comportamiento temporal en un sistema](https://img.pdfslide.net/doc/110x75/5ebfcb180742812f5204cad9/universidad-politcnica-de-madrid-ra09-ajustar-los-parmetros-de-un-controlador.jpg)
