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Capítulo 2
Mecanismos de falla
Figura 2.1 El mecanismo de falla es la explicación técnica de la forma como un talud estable se convierte en inestable, por la acción del deterioro y los agentes activadores. La mayoría de los taludes son aparentemente estables y estáticos, pero realmente son sistemas dinámicos en evolución. Un talud estable puede desestabilizarse con el tiempo y la ocurrencia de un deslizamiento es un fenómeno propio de ese proceso (Figura 2.1). Por lo tanto, se requiere conocer detalladamente lo que ocurre dentro de un talud para poder diagnosticar correctamente su comportamiento. Este diagnóstico es un aspecto fundamental en la ciencia de la estabilidad de los taludes. Si el diagnóstico es equivocado, las medidas remediales y/o los procedimientos de estabilización fracasarían. Previamente al diseño de las medidas remediales, se debe tener un conocimiento completo de la magnitud de la amenaza, las causas y los mecanismos que la generan. La elaboración del modelo conceptual del comportamiento o mecanismo de falla, es una de las actividades previas fundamentales para el diagnóstico y remediación de los problemas de deslizamiento, especialmente en los suelos residuales de ambientes tropicales donde la heterogeneidad de los materiales y la variedad de los parámetros fundamentales, hacen que el análisis determinístico sea impreciso. Para elaborar los modelos conceptuales se requiere el conocimiento de la geología, la mecánica de suelos, la hidrología, la morfología y las características ambientales del sitio, entre otros elementos fundamentales. El objetivo del presente capítulo es analizar la influencia de todos y cada uno de los diversos factores que determinan la estabilidad de un talud.
Modelos Conceptuales y Determinísticos
En el modelo conceptual se describen, analizan y valoran las causas y mecanismos que producen un fenómeno. El modelo conceptual explica cómo se comporta el talud de acuerdo con sus características físicas, químicas y ambientales y cómo actúan los mecanismos que producirían o están a) Antes de la Falla b) Después de la Falla Lluvia Sismo Infiltración
38 DESLIZAMIENTOS - ANÁLISIS GEOTÉCNICO produciendo un determinado comportamiento. El modelo conceptual se puede representa gráficamente o en forma escrita. Una vez elaborado el modelo conceptual, se puede realizar el análisis determinístico o cálculo de factor de seguridad. El modelo determinístico debe ser la representación matemática del modelo conceptual. Los parámetros y condiciones de frontera que se van a utilizar en los análisis matemáticos, deben estar basados en el modelo conceptual. No se debe elaborar un modelo matemático si no se tiene previamente un modelo conceptual. FACTORES QUE AFECTAN EL COMPORTAMIENTO Los procesos que ocurren en un talud son generalmente complejos y dependen de gran cantidad de factores, los cuales interactúan entre ellos para definir un comportamiento. A continuación, se presenta una descripción de algunos de los factores fundamentales que afectan la estabilidad de los taludes. Figura 2.2 Las características de la litología y la estructura de la formación geológica determinan la susceptibilidad a los deslizamientos, la localización de la superficie de falla y los tipos de movimiento. El ejemplo muestra un deslizamiento complejo en North Carolina. (North Carolina Geological Survey).
La Litología o Formación Geológica
Cada litología o formación geológica posee un determinado patrón de comportamiento. Por ejemplo: Un granito y una caliza bajo condiciones similares, desarrollan características diferentes de perfil geotécnico y presentan un comportamiento diferente de los taludes como resultado de las diversas características de los materiales (permeabilidad, potencial de meteorización, erosividad, etc.). Si el material que conforma el talud es homogéneo, el modelo conceptual es relativamente sencillo y fácil de interpretar; sin embargo, cuando el talud está formado por varios tipos de roca o suelo, el comportamiento geotécnico del conjunto es diferente al de cada material por separado. Este es el caso de los suelos residuales donde el material completamente descompuesto, tiene un comportamiento muy diferente al del material menos descompuesto, el saprolito o la roca. En los taludes donde aparecen varios materiales diferentes se debe elaborar un modelo que incluya todos los materiales, cada cual con su comportamiento característico, pero al mismo Elev. 1980 m 1900 m 1820 m 1740 m 1660 m 1580 m 800 m 700 600 500 400 300 200 100 0 Erosión Perfil meteorizado Depósitos coluviales Superficie de falla Movimiento Roca Permeable Movimientos tectónicos Fracturación Roca impermeable
40 DESLIZAMIENTOS - ANÁLISIS GEOTÉCNICO Figura 2.4 Las discontinuidades de la estructura geológica determinan, en muchos casos, la ocurrencia de los deslizamientos de tierra (Diagramas elaborados por Schuster).
La Tectónica y La Fracturación
La tectónica produce dos efectos: fallamiento y fracturación. Las discontinuidades juegan un papel importante en el deslizamiento de los materiales residuales. Si se encuentran abiertas actúan como conductores de agua y activadores de presiones de poro. El agua, al hacerse presente dentro de la junta, produce meteorización de sus paredes, debilitándolas. Adicionalmente, se depositan materiales blandos dentro de la junta.
La Geomorfología
Brusden (2002) define la geomorfología como el estudio de las formas de la superficie de la tierra, su origen, los procesos relacionados con su desarrollo y las propiedades de los materiales, con lo cual se puede predecir el comportamiento y el futuro estado (Figura 2.5). Para elaborar el modelo de comportamiento de un talud, es determinante analizar la geomorfología y su efecto sobre los procesos de inestabilidad; los procesos actuales y pasados son la base para los procesos que van a ocurrir. Las condiciones geomorfológicas presentes son esenciales en el análisis de la ocurrencia de deslizamientos, debido a que los procesos de vertiente son parte integral de los procesos dinámicos como variables que controlan la evolución del paisaje (Aristizabal y Yokota, 2006). La geomorfología refleja los procesos que están actuando sobre el talud, así como los paleo-procesos que lo han afectado en el pasado y su relación con la litología y otros elementos constitutivos, no solamente de un talud en particular, sino de todo el ambiente de una zona. Por ejemplo, una ladera afectada por procesos tectónicos (morfología con escarpes empinados) posee una morfología diferente a una afectada principalmente por procesos de depositación (morfología suave u ondulada). El comportamiento de los taludes depende de las características de la geomorfología general del sector. Figura 2.5 Las formas del terreno (geomorfología) muestran la historia, el futuro de la evolución del paisaje y la susceptibilidad a los deslizamientos. Lámina Exfoliada Planos de estratificación Plano de Foliación Fracturas
MECANISMOS DE FALLA 41
El Estado de Meteorización
En los ambientes tropicales dominados por altas las temperaturas y cambiantes y por lluvias abundantes, la meteorización de los materiales es muy fuerte y se caracteriza por la descomposición rápida de feldespatos y minerales ferromagnesianos, la concentración de óxidos de hierro y aluminio y la remoción de sílice y de las bases de Na 2 O – K 2 O – CaO y MgO (Gidigasu, 1972). Los feldespatos se meteorizan inicialmente, a caolinita, óxidos de hierro y óxidos de aluminio pero los compuestos más resistentes como las partículas de mica y cuarzo, permanecen intactos. La meteorización de rocas y cenizas volcánicas conduce a la formación de montmorillonitas, aloysitas, óxidos de hierro y aluminio en etapas iniciales de la meteorización y finalmente, se pueden formar caolinitas, esmectitas y gibsitas (González y Jiménez, 1981). Algunas rocas que contienen sales (NaCl), Cal (CaSO 4 ) y yeso (CaSO 4 -2H 2 O) se disuelven fácilmente en agua, especialmente en presencia de CO 2 , con lo cual se aceleran los procesos de meteorización. A medida que el proceso de meteorización continúa, los contenidos de caolinita disminuyen y se alteran los demás compuestos a Fe 2 O 3 y Al 2 O 3. Existen investigaciones que demuestran la disminución de los contenidos de caolinita, con el aumento del promedio anual de lluvias (Lohnes y Demirel, 1973). Entre los factores que se deben tener en cuenta para el análisis de los procesos en los taludes, están la profundidad de la meteorización, la intensidad y el tipo de meteorización. Por ejemplo, se debe analizar si la meteorización termina en arcillas, arenas o limos. La meteorización afecta la susceptibilidad a los deslizamientos, al disminuir la resistencia al cortante o al cementar las partículas con óxidos o silicatos (Figura 2.6).
La Pendiente y el Relieve
Al aumentar la pendiente, generalmente se aumentan las fuerzas que tratan de desestabilizar el talud y disminuyen los factores de seguridad al deslizamiento. Los taludes de alta pendiente son muy susceptibles a la ocurrencia de inclinaciones, caídos y flujos de residuos. Además de la pendiente, es muy importante la curvatura de la superficie. (Figura 2.7). El efecto de la pendiente se puede esquematizar de acuerdo con la figura 2.8. Un bloque de peso W descansa sobre una superficie paralela a la pendiente del terreno y crea un esfuerzo o fuerza que trata de hacer deslizar el bloque (Fd). Al aumentar la pendiente el esfuerzo es mayor. El bloque permanecerá estable hasta que las fuerzas actuantes (Fd) excedan las fuerzas resistentes (Fr).
El Clima y la Hidrología
El clima y en especial la precipitación juegan un papel determinante en la estabilidad de los taludes. La presencia o ausencia de agua y temperatura, definen las condiciones para los procesos de meteorización física y química. De igual manera, las variaciones en el clima afectan los procesos. Los taludes bajo diferentes condiciones climáticas forman perfiles diferentes que se comportan de forma diferente. Las fuerzas que actúan dentro de un talud cambian al modificarse las condiciones ambientales. Por ejemplo, las anomalías climáticas permiten la ocurrencia de lluvias excepcionales en zonas semiáridas que generan problemas acelerados de deslizamientos y avalanchas. Precipitaciones convectivas Las precipitaciones de tipo convectivo son muy fuertes pero de corta duración y afectan principalmente, a los taludes de materiales permeables de alta capacidad de infiltración y de poco espesor de suelo. Figura 2.6 Efecto de la meteorización en la ocurrencia de deslizamientos. Material Meteorizado Roca Fracturada Roca Sana
MECANISMOS DE FALLA 43 Figura 2.9 Las corrientes de agua subterránea y la infiltración, son parámetros hidrogeológicos muy importantes en el proceso de activación de deslizamientos ayudar a cementar las partículas del suelo. En general, todo el proceso ecológico (flora, fauna, microfauna, uso del suelo, etc.) debe considerarse como un modelo conceptual por su influencia sobre el comportamiento del talud.
El Efecto Antrópico
El hombre induce cambios en el medio ambiente de un talud pues las actividades humanas tienen una gran influencia sobre su comportamiento y especialmente, sobre la activación de los deslizamientos (Figura 2.11). Las actividades antrópicas como el uso de la tierra, las prácticas de agricultura, la construcción de carreteras y la irrigación, entre otras, son factores determinantes en la ocurrencia de deslizamientos.
El Factor Tiempo
La mayoría de procesos que afectan la estabilidad de un talud no ocurren en forma instantánea, sino que por el contrario toman generalmente períodos largos de tiempo (Figura 2.12). En un talud que aparentemente es estable pueden estar ocurriendo fenómenos que conduzcan a una falla. El clima y las condiciones ambientales cambian con el tiempo. Un talud que no presenta evidencias de movimiento en la temporada seca de las zonas tropicales puede moverse en temporada de lluvias. Un fenómeno de reptación puede con el tiempo evolucionar a un deslizamiento de traslación. Figura 2.8 Esquema de un bloque sobre una pendiente. Al aumentar la pendiente aumenta Fd (fuerza de empuje). Fuerza de Resistencia (F R ) Fuerza de Resistencia (F R ) Fuerza de Empuje (F d ) F d < F R Fuerza Normal (F n ) Pendiente Suave Fuerza de Gravedad (a) (b) F n F d F d > F R Pendiente Fuerte Frente Saturado Subsuperficial Zona local de Saturación Nivel Freático Loma de aguas Velocidad del Agua Subterráneas Subterránea (^0 10) 20m Lluvia Escorrentía Zona Húmeda Corriente Interna Infiltración Zona de mayor permeabilidad Acuífero
44 DESLIZAMIENTOS - ANÁLISIS GEOTÉCNICO Figura 2.10 Efecto de la vegetación sobre la estabilidad de un talud. Las raíces refuerzan el suelo. ELAbORACIóN DE MODELOS CONCEPTUALES Un modelo conceptual es una representación del comportamiento de la ladera o talud. El modelo puede incluir gráficas de planta y perfiles con sus respectivos textos o memorias descriptivas del efecto de todos y cada uno de los elementos fundamentales que afectan la estabilidad del talud específico (Tabla 2.1). El modelo debe ser lógico y fácilmente entendible y no debe incluir información que no sea relevante y determinante en el proceso de inestabilidad. Figura 2.11 Al realizar un corte se puede generar la inestabilización del talud (Diagrama de Schuster). Figura 2.12 Proceso de deslizamiento con el tiempo de un talud en arcilla junto al mar. (Dixon y Bromhead, 2002). Después de la elaboración del modelo conceptual se procede a la elaboración del modelo determinístico o matemático para calcular los factores de seguridad o el modelo de elementos finitos esfuerzo- deformación. Los modelos determinísticos deben ser el resultado de los modelos conceptuales.
Procedimiento para la Elaboración de
Modelos Conceptuales
Los modelos conceptuales involucran las siguientes actividades principales:
- (^) Caracterización de todos y cada uno de los elementos fundamentales. Se deben caracterizar los factores que afectan tanto la susceptibilidad como la amenaza, incluyendo los factores detonantes.
- (^) Representación gráfica y descripción escrita de las características de cada uno de los elementos.
- (^) Elaboración de un modelo gráfico en planta y en perfil de todos los elementos, incluyendo la interacción entre ellos. El modelo debe indicar el comportamiento futuro del talud y las características de los movimientos esperados.
- (^) Instrumentación del talud para validar en campo los resultados de los modelos.
- (^) Elaboración de los modelos determinísticos para calibrar tanto el modelo conceptual como los parámetros del modelo determinístico.
- (^) Calibración del modelo en campo analizando deslizamientos existentes. b l z hw D W Z hw T Nivel E D T G freático Pozo Corte-Terraplén Grietas en Desarrollo Discontinuidades Super f i ci e de Fal l a 1974 1985 1993 1998 ??^?? Ni vel del mar 0 30m
46 DESLIZAMIENTOS - ANÁLISIS GEOTÉCNICO MECANISMO DE FALLA La ocurrencia de una falla obedece a un proceso, el cual comprende una gran cantidad de factores, en el espacio y en el tiempo.
Condiciones Originales del Talud
( Susceptibilidad)
Todo talud tiene unas propiedades o características físicas como son el relieve, geología, propiedades mecánicas de los materiales y perfiles, condiciones ambientales, cobertura vegetal, etc. Estas condiciones determinan una susceptibilidad al deterioro, a la acción de los factores detonantes y al fallamiento.
Equilibrio o Desequilibrio de Fuerzas
(Factor de seguridad )
En un talud estable hay un equilibrio entre las fuerzas actuantes y las fuerzas resistentes, entre las cuales es determinante la fuerza de gravedad. En la figura 2.13 se muestran las masas que tratan de producir el movimiento y las masas que tratan de contrarrestarla. Si se colocan cargas adicionales en la parte superior del talud o se remueven en el pie, se puede producir la inestabilidad de éste. Igualmente, la inestabilidad puede ocurrir por el aumento de la pendiente del talud.
El Deterioro ( Modificación de las
condiciones originales )
El deterioro comprende la alteración física y química de los materiales y su subsecuente desprendimiento o remoción. Esto incluye la alteración mineral, los efectos de relajación y la abrasión. Los efectos del deterioro pueden ser lentos o rápidos y se acumulan hasta producir la falla en forma progresiva (Figura 2.14). Cuando se corta un talud, para la construcción de una vía o de una obra de infraestructura, ocurre una relajación de los esfuerzos de confinamiento y una exposición al medio ambiente, cambiándose la posición de equilibrio por una de deterioro acelerado. La iniciación y propagación de fracturas es de significancia particular en la destrucción de la superficie que puede conducir a caídos de roca o colapso del talud. El resultado del deterioro es una disminución en la resistencia al cortante del material, falla progresiva por expansión o fisuración, deformación al cortante, inclinación, desmoronamiento, etc. Igualmente se puede producir descomposición por desecación, reducción de la cohesión, lavado y remoción de los cementantes, disolución, erosión interna o sifonamiento. Los factores de deterioro producen movimientos o agrietamientos en el talud, los cuales pueden ser detectados por medio de métodos geoacústicos o por inclinómetros (Figura 2.15). El deterioro, con el tiempo, da lugar a la necesidad de mantenimiento o construcción de obras de estabilización.
Factores Detonantes ( Activación del
movimiento )
En el fenómeno de detonación o activación de un deslizamiento, actúa una serie compleja de procesos, los cuales, ocasionalmente, se traslapan con los factores de deterioro. Los deslizamientos pueden activarse en forma instantánea o en forma progresiva. El resultado generalmente es un aumento en los esfuerzos de cortante. Estos esfuerzos aumentan a lo largo de la superficie de falla hasta que ocurre el movimiento. Los elementos externos más comunes que pueden generar la activación de un deslizamiento son los siguientes:
- Corte del soporte en el pie del talud por acción de la erosión o de actividades humanas, como la construcción de carreteras. Figura 2.13 Equilibrio o desequilibrio de fuerzas en un talud. Inestabilidad al Adicionar Terraplén Inestabilidad al Remover Material Masa de Empuje Masa de Resistencia Superficie Potencial de Falla
MECANISMOS DE FALLA 47
- Lluvias intensas o prolongadas y/o fluctuaciones fuertes del nivel de aguas subterráneas.
- Sismos o vibraciones fuertes.
- Colocación de cargas sobre el talud.
- Combinación de algunos de los elementos anteriores.
Fallamiento
El proceso de fallamiento después de que interviene el factor detonante, por lo general es un fenómeno físico, en el cual las condiciones de esfuerzo y deformación juegan un papel preponderante. Para el análisis de un deslizamiento o para la determinación de niveles de amenaza y riesgo, es esencial que se tenga claridad sobre los procesos de evolución que generan un deslizamiento (Figura 2.16), la susceptibilidad, los procesos de deterioro y los factores detonantes, así como el proceso de fallamiento propiamente dicho.
La Falla Progresiva
Las fallas en la mayoría de los casos no ocurren en forma repentina sino que se toman un tiempo, el cual puede durar de minutos a años. El proceso se inicia con deformaciones o agrietamientos aislados, relacionados con la concentración de esfuerzos (Figura 2.17). Estas deformaciones que se producen por la actuación de los esfuerzos, generan a su vez disminuciones en la resistencia. Figura 2.14 El efecto de deterioro. Al inicio del movimiento, es muy posible que estas deformaciones progresivas afecten volúmenes aislados del talud, pero a medida que avanza el proceso de fallamiento, las principales deformaciones se concentran en una superficie o banda de falla, a lo largo de la cual se produce la rotura o falla del material (Superficie de falla). Esta superficie de falla con el tiempo va progresando en longitud (Figura 2.18). Si la resistencia se moviliza totalmente en cualquier punto de la superficie de falla, el suelo falla localmente. Al fallar el esfuerzo en el punto de falla, se reduce y los esfuerzos se transfieren a los puntos adyacentes, los cuales a su vez tratan de fallar (Pathak y otros, 2008; Cramer, 2003). En la falla progresiva cuando la resistencia pico es superada en el punto A (figura 2.19), la resistencia al corte disponible disminuye de la resistencia pico a la resistencia residual. Los esfuerzos relacionados con la diferencia entre la resistencia pico y la residual del punto A, es transferida a los puntos B. Esto puede ocasionar que los esfuerzos superen la resistencia pico en los puntos B y así sucesivamente, a los puntos C y en la totalidad de la superficie de falla. Figura 2.15 Deformaciones de pre-falla en el deslizamiento de “Les grandes murailes” en Francia (Leroueil y otros, 1996). Eventos de Deterioro Desplazamiento Acumulado Evento Activo Falla Falla Progresiva Tiempo Desplazamientos (mm) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 2 4 6 8 10 12 14 Profundidad (m) Les Grandes Muralles 09 05 84 22 05 85 07 10 86
MECANISMOS DE FALLA 49 La superficie de falla tiene generalmente una estructura más suelta, con porosidades relativas más altas y una mayor abundancia de agregados discretos. Las partículas están en arreglos heterogéneos y débiles. La superficie de falla se ha dilatado y la microestructura se ha destruído. Esta deformación por dilatación, se genera por el aumento de esfuerzos en el proceso de falla progresiva. El suelo dilatado facilita las deformaciones de cortante. Si en la superficie de falla aumenta significativamente la presión de poros y ocurren aumentos súbitos de esfuerzos, se aumenta la velocidad del movimiento (Wen y Aydin, 2005).Se puede presentar un flujo o movimiento relativo entre las partículas o elementos discretos en la zona de falla, inducido por los esfuerzos. Después de iniciado el movimiento, se puede producir licuación local en la superficie de falla, en el caso de los sismos. Figura 2.19 Esquema de la generación de una falla progresiva en suelos que pierden resistencia al deformarse (Pathak y otros, 2008). Figura 2.18 Deformaciones con el tiempo, de un talud en arcilla al realizar un corte; analizada por elementos finitos (Leroueil y otros 1996). (^0 25) Escala (m) a) Deformaciones a los 9 años después de la excavación b) Deformaciones a los 14.5 años después de la excavación Ruptura de la Resistencia Pico Ruptura de entre Resistencia Pico y la Resistencia Residual Ruptura de la Resistencia residual Material excavado A B C A B B B B B C C C C C A A Resistencia Pico en el punto A Tensión Fuerza Cortante (a) (b) Fuerza Cortante La falla en el punto A produce aumento de la fuerza cortante que se redistribuye en los puntos B y C. La resistencia Cortante en el punto A baja desde pico hasta la residual Tensión
50 DESLIZAMIENTOS - ANÁLISIS GEOTÉCNICO
Cinemática de los Movimientos
Para el análisis de la magnitud de la amenaza y la cuantificación del riesgo, se requiere con frecuencia analizar la cinemática de los movimientos. Algunos tipos de movimiento pueden alcanzar velocidades relativamente grandes, especialmente los caídos, flujos y avalanchas. La velocidad y las características de los movimientos determinan la magnitud de las amenazas y los riesgos (Figura 2.21). Cinemática de los flujos. El comportamiento cinemático de los flujos es complejo y depende de varios factores (Pellegrino y otros, 2000):
- El volumen o caudal de suelo en movimiento. Este volumen puede ser suministrado por un deslizamiento o por varios deslizamientos.
- Las propiedades mecánicas de los materiales constitutivos del flujo, especialmente la resistencia y compresibilidad.
- La pendiente del canal sobre el cual fluye el suelo. Figura 2.20 Explicación de las diversas etapas en un proceso de falla progresiva en arcillas (Petley y otros, 2005).
- El ancho del canal.
- La rugosidad de la superficie del canal.
- El contenido de agua. En su recorrido y en el transcurso del tiempo, el flujo puede cambiar la velocidad y las características, con la modificación de alguno o varios de estos factores. Por ejemplo, si la pendiente disminuye y/o la rugosidad o el ancho del canal aumentan; la velocidad del flujo disminuye y se puede formar una zona de depositación. El suministro de agua es el factor que más influye en la movilidad del flujo. Generalmente, el contenido de agua es mayor en la zona más cercana a la superficie de deslizamiento, debido a la formación de zonas de deformación plástica al cortante, las cuales incluyen dilatancia (Pellegrino y otros, 2000) y al flujo interno de agua. La velocidad de este flujo de agua afecta las presiones de poros en forma significativa. Se inicia desarrollo de microfracturación por deterioro Factor de Seguridad 1.x
V Tiempo Tiempo Factor de Seguridad
El gradiente de la linea aumenta al acelerarse la formación de la superficie de falla Crecimiento de la superficie de corte Tiempo Tiempo V Iniciación de la tendencia lineal Factor de Seguridad Factor de Seguridad
1.y Se inicia desarrollo de la superficie de falla al prosperar la microfracturación Comienza la formación de la Superficie de corte V Tiempo Tiempo Tiempo Tiempo V Falla Ocurre la Falla del talud Se desarrolla completamente la superficie de falla A B C D
52 DESLIZAMIENTOS - ANÁLISIS GEOTÉCNICO
Longitud de Recorrido del Movimiento
Cuando la energía potencial de la falla se transforma en energía cinética en un porcentaje importante, la distancia del recorrido puede adquirir una dimensión relativamente grande. Se han obtenido relaciones entre el volumen de la masa fallada y la longitud de recorrido para avalanchas de roca y flujos de arcilla, con lo cual se pueden realizar las siguientes observaciones:
- La relación entre el volumen de falla y la distancia de recorrido depende del nivel de humedad o saturación de los materiales.
- La distancia de recorrido, generalmente aumenta con el volumen de la masa fallada.
- La energía y la longitud de recorrido aumenta con la altura del deslizamiento. Figura 2.22 Perfiles del inclinómetro que muestran las diferencias de cinemática de los flujos de suelo (Pellegrino y otros, 2000).
- La relación log (longitud) - vol (volumen) es esencialmente lineal; y con los datos limitados que existen, se ha propuesto una pendiente de 0.16 entre los dos valores. Debe tenerse en cuenta que una vez ocurrida la falla, el movimiento posterior es de tal característica que no se aplican los principios de la mecánica de suelos o rocas y el comportamiento se describe mejor en términos de conceptos de mecánicas de fluidos integrados en un modelo viscoplástico (Figura 2.23), como el desarrollado para flujos rápidos y avalanchas por Hungr (1995). El elemento energía también debe tenerse en cuenta. En el caso de los movimientos activados por sismos la energía producida por un evento sísmico puede generar energías cinéticas superiores a las de un evento estático. La energía del sismo puede transmitirse al movimiento. 0 0 1 2 3 5 10 15 20 Desplazamiento (cm) Profundidad (m) Instalación: 12/09/ 10/10/ 27/11/ 14/01/ Instalación: 29/10/ 03/12/ 21/01/ 18/03/ 11/05/ 22/06/ 26/07/ 13/10/ 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 Desplazamiento (cm) Profundidad (m) Flujo Flujo Superficie de cortante Superficie de cortante
MECANISMOS DE FALLA 53 Figura 2.23 Esquema de la dinámica del flujo de materiales.
Reactivación de Movimientos Antiguos
Algunos deslizamientos de gran magnitud corresponden a movimientos antiguos, los cuales se han reactivado o se encuentran todavía en movimiento lento. Generalmente, esos taludes se clasifican geológicamente como coluviones y en ocasiones, como formaciones geológicas independientes. Es común que la parte alta de estos deslizamientos tenga una forma de “graben” o depresión y forma un pantano o lago. En la parte de la superficie de falla se pueden presentar zonas de corte de espesor importante. Los deslizamientos antiguos pueden ser activados por la acción humana, y producir modificaciones en la hidrología subterránea o en la conformación superficial de los taludes. INESTAbILIZACIóN Terzaghi (1950), hizo una diferenciación entre los factores externos e internos que afectan la ocurrencia de los deslizamientos. Tanto las causas internas como las externas, afectan el estado de equilibrio de un talud de dos maneras diferentes o por la combinación de estas dos formas:
- Disminución de la resistencia al cortante.
- Aumento de los esfuerzos de cortante. Las causas internas. Son mecanismos que producen una reducción en la resistencia al cortante a un punto tal que inducen una falla (Bell
- (Ejemplos: Meteorización, presión de poros). Las causas externas****. Son los mecanismos por fuera de la masa afectada, los cuales son responsables de un aumento de los esfuerzos por encima de la resistencia al cortante (sobrecargas, cortes, sismos, vibraciones, etc.). Para el diagnóstico de las condiciones de estabilidad de un talud o ladera, es imprescindible conocer los agentes que causan la inestabilidad. Es importante poder anticipar los cambios que ocurren en el talud con el tiempo y las varias condiciones de carga, de humedad y drenaje a las cuales el talud va a estar expuesto durante toda su vida. En el caso de deslizamientos se requiere entender los factores esenciales de las situaciones que produjeron la falla. La experiencia es el mejor profesor y especialmente, la experiencia de las fallas ocurridas. DEFORMACIóN y DESINTEGRACIóN Los procesos de deformación y desintegración están relacionados con diversos factores internos y externos:
- La tectónica y neotectónica producen esfuerzos e inducen deformaciones, las cuales son muy difíciles de evaluar o medir.La desintegración por fragilidad.
- La erosión genera cambios topográficos que inducen esfuerzos en el talud.
- La sedimentación. Bloques grandes en la parte superior Punta del flujo X Superficie de cortante o fricción
MECANISMOS DE FALLA 55 La fatiga es potenciada por la variación de condiciones de carga en los procesos de humedecimiento y secado. Estos movimientos generalmente ocurren en la dirección descendente del talud y no se recobran cuando las condiciones adversas desaparecen. El resultado es un movimiento en forma de arrugas del talud, que aumenta año tras año y que puede eventualmente, terminar en un gran deslizamiento.
Formación de Estrías o Espejos de Falla
Los espejos de falla se desarrollan en suelos arcillosos, especialmente en arcillas de alta plasticidad, como resultado de los esfuerzos de cortante sobre diferentes planos de deslizamiento. Cuando ocurren desplazamientos de cortante, las partículas de arcilla (que son partículas laminares) se alinean paralelamente a la superficie de movimiento. El resultado es una superficie lisa que exhibe un brillo especial. La arcilla se separa muy fácilmente a través de estas superficies, debido a que las superficies de estrías son más débiles que el resto de la arcilla. El ángulo de fricción en estas superficies corresponde al ángulo de fricción residual. En arcillas plásticas este ángulo de fricción puede ser de solo 5° o 6° comparado con los ángulos de fricción pico de 20° a 30° en la misma arcilla (Duncan y Wright, 2005). Figura 2.24 Esquema simplificado de la micro- estructura de un suelo arcilloso. (A) Partículas de arcilla, (B) uniones entre las partículas de arcilla. En algunos depósitos de arcilla se forman espejos de falla en forma aleatoria en varias direcciones. Este tipo de espejos de falla tienen menos importancia para la estabilidad de taludes que un espejo de falla sencillo, el cual favorece la ocurrencia de un deslizamiento.
Agrietamiento por Tensión
La mayoría de los suelos poseen muy baja resistencia a la tensión y la generación de esfuerzos relativamente pequeños (especialmente arriba de la cabeza de los taludes y laderas), puede producir grietas de tensión, las cuales facilitan la infiltración de agua y debilitan la estructura de la masa de suelo permitiendo la formación de superficies de falla. Las fallas de los taludes con mucha frecuencia, están precedidas por la activación de grietas cerca de la cabeza del talud. Estas grietas son posibles solamente en los suelos que tienen alguna resistencia a la tensión. Debe tenerse en cuenta que una vez aparece la grieta, se pierde la totalidad de la resistencia en el plano de ésta.
Formación, Inclinación y Caída de Losas
de Roca
Se forman prismas o pequeñas placas, pudiendo existir deslizamiento y rotación o pandeo. Generalmente, las fracturas por tensión (paralelas a la superficie del talud ) son prerequisito para su ocurrencia, seguidas por la pérdida de soporte. Pueden caer grandes bloques de material y que significarían una gran amenaza, causando daño a los canales de drenaje, cercas, pavimentos o podría crear taludes negativos. Las inclinaciones se pueden considerar como un proceso de deterioro o como un movimiento del talud. Como tratamiento, se sugiere la construcción de gradas o escaleras, bermas intermedias, refuerzo con pernos o estructuras de contención.
Caídas de bloques
Caen por gravedad, en forma ocasional, bloques individuales de roca de cualquier dimensión, produciendo un deterioro en la estructura del talud (Figura 2.26). La caída de muchos bloques de roca “en un solo evento”, requiere que haya ocurrido un debilitamiento de la masa de roca, debido a la fragmentación y a la ausencia de soporte lateral. El volumen de la falla depende de los diversos planos de discontinuidad y puede cubrir en un solo momento, varios planos. .002mm Vista Superior partícula de arcilla Vista Lateral partículas de arcilla empacadas Partículas de limo Paquetes de partículas de Arcilla Agua (A) (B)
56 DESLIZAMIENTOS - ANÁLISIS GEOTÉCNICO En ocasiones bajan saltando y rodando y pueden avanzar grandes distancias. Como tratamiento, se sugiere la construcción de gradas, la utilización de mallas de acero, concreto lanzado o mampostería.
Desmoronamiento, Descascaramiento y
Caída de Granos
La caída de granos individuales de la masa de roca está relacionada con la desintegración física a granos, como pre-requisito. Depende de la resistencia de las uniones intergranulares y las microgrietas relacionadas con los granos (Figura 2.27). Este tipo de desmoronamiento ocurre especialmente en rocas físiles como las lutitas y los esquistos. El desmoronamiento causa un debilitamiento general del material de roca. En ocasiones se produce la caída de cáscaras de material de la masa de roca. Las cáscaras tienen forma de láminas con una dimensión significativamente menor a las otras dos dimensiones. Puede reflejar la litología, fisilidad, o puede reflejar la penetración de la meteorización. Los fragmentos en forma de láminas no son grandes ni constituyen una amenaza significativa; sin embargo, se produce un depósito de sedimentos en el pie del talud. Como tratamiento, se sugieren las técnicas de bioingeniería como los mantos orgánicos o los procesos de hidrosiembra y concreto lanzado, teniendo en cuenta la construcción de Figura 2.25 Agrietamientos de tensión en taludes de carreteras. lloraderos para el manejo del agua infiltrada con anclajes y obras de concreto dental.
Desintegración Diferencial
En los cortes hechos por el hombre en rocas sedimentarias, puede ocurrir erosión diferencial en los mantos menos resistentes a la erosión. Al erosionarse, ciertos mantos pueden dejar sin sustento los mantos superiores y generar deslizamientos. Adicionalmente, la presencia de aguas subterráneas puede producir erosión diferencial por afloramiento de agua en los mantos más permeables.
Colapso por Falta de Soporte
Los bloques independientes de gran tamaño colapsan debido a la falta de soporte vertical. Estos representan una gran escala de amenaza, según su tamaño y el potencial de colapso. Las soluciones incluyen concreto dental, estructuras de refuerzo, submuración y otras estructuras de retención. EFECTO DEL AGUA La mayoría de las fallas de los taludes están relacionadas de una u otra forma, con el agua. El agua juega un papel muy importante en la mayoría de los procesos que reducen la resistencia del suelo. Igualmente, está relacionada con varios tipos de carga que aumentan los esfuerzos del cortante en los taludes. Figura 2.26 Desintegración inclinación y caídos en un macizo rocoso. Grietas de Tensión Masas Inestables Posición Original Inclinación Caído Desintegración
