Contingut arxivístic expert i risc greu: l’article conserva el relat històric de l’estabilitat de talús, símbols, fórmules i diagrames del text original. No és un estudi geotècnic, projecte d’excavació o terraplè, càlcul d’estabilitat, pla de drenatge, avaluació d’esllavissades o instruccions d’obra. Un pendent inestable pot enterrar de sobte persones, edificis i carreteres; Les esquerdes observades, protuberàncies, aigua ennuvolada, enfonsament sobtat o desplaçament s’han de tractar com a motiu per allunyar-se de la zona de perill i avaluació professional urgent.
Avui, Savo Kusić se centra en finestres de fusta, finestres de fusta-alumini, finestres personalitzades, porta i sol·licituds de pressupost. Aquest article continua sent un arxiu tècnic i no representa una oferta de disseny geotècnic, supervisió o execució de moviments de terres.
Per als moviments de terra construïts com ara talls, terraplens i canals, els talussos finals de vegades s’esfondren. I un talús natural, sense obres artificials, es pot moure de cop i amb molta força o molt lentament. Aquests fenòmens han estat durant molt de temps objecte d’estudis geològics i geomecànics, amb l’objectiu d’avaluar l’estabilitat a partir de les característiques físiques del sòl i les condicions de cada cas individual.
Causes del moviment de les masses terrestres
La condició per a l’estabilitat de qualsevol sòl, ja sigui un objecte de terra artificial o un sòl natural, és que hi hagi un equilibri entre les forces externes i la resistència interna del sòl. Les forces externes són principalment el pes propi del sòl, que sol ser l’única força externa, seguida de qualsevol altra càrrega externa que actuï sobre el pendent, permanent o en moviment. La resistència interna consisteix en la cohesió i la fricció en el sòl lligat, i només en la fricció en el sòl no lligat.
Fig. 1. Pendent del terraplè de terra solta
Si observem un terraplè d’alçada h fet de sòl completament solt, per exemple sorra seca compactada, determinarem que el pendent d’aquest terraplè està inclinat en un angle β amb l’horitzontal (fig. 1). La mida de l’angle β depèn de diversos factors com ara la mida del gra, la forma del gra i la compactació. Si augmentem l’alçada del terraplè h a h1, h2, etc. amb el mateix material no lligat de la mateixa compactació, l’angle β no variarà, el pendent del terraplè es mantindrà al mateix pendent fins a una alçada il·limitada h. Per a un sòl solt donat, l’angle natural del pendent β és independent de l’alçada del talús h. La mida de l’angle β per al sòl no lligat depèn de l’angle de fricció interna del sòl φ i se suposa que és lleugerament més petit que aquest, o igual, β ≤ φ.
Fig. 2. Pendent de tall en sòl lligat
Si mirem un tall fet en terra lligada, trobarem que el pendent del tall es manté sota un pendent més fort1:m, és a dir, amb un angle β més gran a causa del fet que la resistència interna del sòl lligat augmenta per cohesió, que no existeix a la sorra seca (fig.2). En certs tipus de sòl, com ara el loess sec, la cohesió pot augmentar la resistència interna fins a tal punt que el sòl es pot subjectar amb un costat tallat verticalment, és a dir, amb un angle β =90°. Tanmateix, si augmentem l’alçada de tall h en sòl lligat a h1, h2 etc., s’ha de reduir l’angle d’inclinació del bisell del tall β per mantenir el bisell en estabilitat. Per a cada angle de pendent β del pendent del tall en un sòl limitat donat hi ha una alçada crítica hc. Si superem aquesta alçada, el pendent AB no es mantindrà en equilibri i lliscarà sobre una superfície de lliscament CD (fig.3). El lliscament es va produir per una alteració de l’equilibri entre la força externa, el pes propi de la massa terrestre i la resistència interna, que ja no era suficient per oposar l’augment de la força externa, és a dir, a l’augment del pes de la massa del sòl provocat per l’augment de l’alçada del talús h.
Sl.3. Pendent de tall en sòl cohesionat
De l’anterior, es dedueix que l’angle del pendent natural del sòl no es pot adoptar com a valor constant per al sòl donat, ja que el seu valor en totes les altres condicions depèn de l’alçada del pendent i disminueix amb l’augment d’aquesta alçada. No obstant això, sovint s’adopta per a pendents de petites altures com a valor constant, depenent de l’angle de fregament intern del sòl φ.
La alteració de l’equilibri també es pot produir sense augmentar l’alçada de tall h, per exemple quan la resistència interna del sòl disminueix. Els elements de resistència interna del sòl lligat, cohesió i fricció, són molt variables i depenen de la quantitat d’aigua del sòl. Per tant, en molts casos, la causa del lliscament és la sobresaturació del sòl lligat a l’aigua, que pot ser tan gran que el sòl ja no és capaç de suportar-se sota cap pendent, sinó que llisca pel seu propi pes.
Fig. 4. Lliscant del sòl per formació de superfícies de lliscament
Hi ha diversos casos de lliscament del sòl per la reducció de la resistència interna, dels quals n’esmentarem aquí alguns de característics.
Educació de superfícies de lliscament
Si hi ha una capa d’argila impermeable en un talús per sota de la capa superficial de sòl permeable (fig. 4a), o si hi ha una capa de sorra inclinada a la capa d’argila (fig. 4b), a la qual s’aconsegueix una dispersió d’aigua (exemple 4b), a la qual s’aconsegueix una pèrdua d’aigua (per exemple, d’aigua descuidada). es poden produir esllavissades. Una major quantitat d’aigua passa per la capa permeable fins a la capa d’argila, que mulla amb força, reduint la seva resistència a la superfície, on rellisca la capa superior.
Pertorbació de l’equilibri per tall
El tall de talls durant la construcció de ferrocarrils i carreteres altera l’estat d’equilibri anterior, ja que en el perfil de tall el sòl roman sense suport i tendeix a moure’s cap avall a causa de la gravetat. Es pot mantenir un estat d’equilibri si la resistència interna del sòl és prou gran per contrarestar aquesta tendència, que també és possible quan el sòl tallat consta de capes fortament inclinades cap al tall.
Fig. 5. Lliscament del terreny a causa del tall en sòl estratificat
No obstant això, si es tallen capes de sòl impermeable i permeable alternativament (Fig. 5), hi ha la possibilitat de lixiviació del sòl permeable i humectació del sòl impermeable, on es pot produir lliscament.
Inhomogeneïtat del sòl
Les capes fines de material impermeable en un terraplè fet de terra permeable, les anomenades lents d’argila (fig. 6), també poden provocar lliscament si hi arriba una gran quantitat d’aigua i forma una superfície de lliscament.
Fig. 6. Cas de lliscament del terraplè per composició no homogènia
Efecte de les gelades
Sota l’efecte de les gelades, l’aigua s’acumula a la capa superficial en forma de lents de gel. Durant la descongelació, les lents de gel es converteixen en aigua, que sobresatura el sòl fins a la profunditat de l’acció de les gelades, com a resultat de la qual cosa es converteix en una massa líquida i perd la seva estabilitat.
Aquest cas només es produeix en sòls perillosos per les gelades i amb una durada més llarga de gelades, perquè es necessita molt de temps per a la formació de lents de gel.
Baixada del nivell de les aigües subterrànies
Quan el nivell de les aigües subterrànies es redueix de manera permanent, per exemple per fer treballs al sòl, el sòl s’asseca i, si es tracta d’argila amb una gran inflació, apareixen esquerdes. Hi entren grans quantitats d’aigua superficial i atmosfèrica, mullant el sòl i reduint la seva resistència interna, fet que també pot provocar esllavissades.
També hi ha molts altres casos de lliscament del terreny, per la qual cosa es pot considerar que qualsevol sòl coherent pot, en determinades circumstàncies, perdre en major o menor mesura la seva resistència interna i, per influència de forces externes, posar-se en moviment.
El sòl incoherent és estable sempre que l’angle d’inclinació del talús sigui menor que l’angle de fregament intern del sòl. Amb aquest tipus de sòl, el lliscament es produeix només si l’angle de pendent és més gran que l’angle de fregament intern. Tanmateix, si un terraplè està fet de material no lligat en sòl argiloso, el sòl argiloso pot lliscar i el terraplè es col·lapsa, i cal comprovar l’estabilitat.
Prova de l’estabilitat dels talussos de terra
Forma de superfície lliscant
La condició d’equilibri entre les forces externes i la resistència interna del sòl va ser fixada per Coulomb amb la seva equació
τ ≤ c + σ tgϕ
on τ és l’esforç de tall del sòl, c és la cohesió, σ és l’esforç normal a la superfície de lliscament, ϕ és l’angle de fregament intern.
Si la resistència interna del sòl, la cohesió c i la fricció σ tgϕ no són suficients per oposar-se a l’esforç tallant del sòl, el lliscament es produeix sobre una superfície de lliscament dins del sòl. Hi ha diferents formes de superfícies de lliscament, que depenen de les propietats físiques del sòl, l’estratificació, la humitat, la càrrega externa i altres factors.
Els casos lliscants típics següents difereixen segons la posició:
Fig. 7. Casos típics d’esllavissades
a) Lliscament dels costats verticals del tall. En el cas de canals d’abastament d’aigua, clavegueram, etc., excavats amb vessants verticals (fig. 7a), si es supera l’altura crítica hc, que depèn de les propietats físiques del sòl, es produeix un lliscament sobre la superfície ADC. Aquests lliscaments no solen estar al llarg de tota la longitud del canal, sinó que estan localitzats, cosa que s’explica per la resistència a tall desigual del sòl.
b) Lliscants parcials de pendent (fig. 7b). Aquestes relliscades apareixen sovint a la primavera en talls de ferrocarrils i carreteres i són el resultat de la sobresaturació del sòl amb aigua.
c) Lliscant de pendent de nit (fig. 7c). És el lliscament de tot el pendent del tall o terraplè fins a la pota C.
d) Pendent lliscant sota els peus (Fig. 7d). És el lliscament de tot el talús del tall o terraplè i del sòl sota la base. Aquesta diapositiva també s’anomena fractura del subsòl o fractura sueca, després dels suecs que la van descriure per primera vegada.
Pel que fa a la forma de la superfície de lliscament, només es pot afirmar que la superfície de lliscament en el sòl lligat no és recta, sinó que és una superfície corba. Alguns autors adopten un arc circular (Fellenius), una espiral logarítmica (Rendulić) o una combinació d’aquestes línies corbes (Brinch Hansen) com a forma de la superfície de lliscament.
Efecte de la filtració de l’aigua sobre l’estabilitat del talús
Si davant del talús hi ha aigua externa amb un nivell de N1 (fig.8), el flux d’aigua es produeix al sòl darrere del talús, la qual cosa provoca la pressió interna de l’aigua als porus, com a resultat de la qual disminueix la fricció entre les partícules sòlides i augmenta l’esforç de cisalla al sòl.
Si el nivell és N1 d’aigua davant del talús una columna d’aigua constant H*γW provoca la pressió de l’aigua als porus del sòl, la qual cosa redueix la fricció entre les partícules sòlides, com a conseqüència de la qual cosa augmenta el perill de lliscament del talús. Tanmateix, quan el nivell és N1 constant, la pressió de la columna d’aigua H*γW empeny les partícules sòlides cap a l’interior del sòl, de manera que el perill de lliscament de talús es redueix en certa mesura. En aquest cas, a nivell d’aigua constant N1 davant del talús, hi ha perill de lliscament del talús aigües avall, perquè l’efecte de la filtració d’aigua al sòl provoca l’empenta de partícules sòlides en direcció al costat exterior del talús aigües avall.
Sl.8. L’efecte de la filtració sobre l’estabilitat del talús del sòl
Si el nivell d’aigua exterior baixa bruscament des del nivell N1 a N2 aleshores es veu amenaçada l’estabilitat del talús aigües amunt. En aquest cas, l’aigua dels porus interns flueix cap al costat exterior del talús aigües amunt, empenyent les partícules sòlides cap a aquest costat.
Per tot això, si el talús del sòl està submergit en aigua, també s’ha de tenir en compte l’efecte de la filtració de l’aigua a l’hora de provar l’estabilitat del talús.
L’efecte de la filtració de l’aigua al sòl depèn de diversos factors, els més importants són permeabilitat del sòl, pressió hidrostàtica de l’aigua externa, ritme de descens del nivell d’aigua exterior i homogeneïtat del sòl.
Si suposem que el terraplè de la fig. 8 de massa isotròpica homogènia, sota l’efecte de la pressió hidrostàtica de l’aigua externa de nivell N1, l’aigua fluirà pels porus del terraplè en direcció al talús aigües avall, per la qual cosa el nivell d’aigua subterrània al terraplè disminuirà amb la longitud de la carretera. Si introduïm tubs piezòmetres AA’, BB’ i CC’ al terraplè (fig. 9), l’aigua de porus sota l’efecte de la pressió hidrostàtica entrarà en aquestes canonades i pujarà al nivell N1, que pot ser el mateix en totes les canonades, si es seleccionen els punts A, les C_B i de manera que les alçades de l’aigua C_B les canonades són h1, h2 i h3.
Fig. 9. Línies equipotencials i corrents
Si denotem amb h l’elevació del nivell de l’aigua N1 en relació amb algun pla O-O escollit arbitràriament, aleshores el potencial h per a tots els punts 3, A, B i C és el mateix. La línia que uneix aquests tres punts és la línia equipotencial. L’aigua subterrània del sòl no pot fluir al llarg d’aquesta línia, sinó només en la direcció dels punts amb menor potencial.
De manera semblant podem seleccionar en la mateixa massa els punts D, E i F amb un potencial menor h ― Δh. La línia que uneix aquests tres punts és la línia equipotencial de potencial h ― Δh. El flux d’aigua des del punt A de la línia equipotencial ABC fins a algun punt infinitament proper D de la línia equipotencial DEF existirà en la direcció de la caiguda hidràulica més gran imax, és a dir, la distància més petita en la direcció _AD =_Δlmin. Això vol dir que la línia AD per la qual flueix l’aigua és perpendicular a les dues línies equipotencials, perquè
imax = Δh / Δlmin
on Δlmin és normal a les dues línies equipotencials. Aquestes normals a les línies equipotencials són les direccions del flux d’aigua en la massa permeable i s’anomenen línies de corrent. La comunitat de línies equipotencials i de corrent, mútuament perpendiculars entre si, forma una xarxa de flux.
Les xarxes de flux tenen diferents formes segons la permeabilitat de la massa. El cas més habitual és un terraplè fet de massa permeable sobre sòl impermeable, és a dir, sobre sòl que es pot fer impermeable (fig. 10). En aquest cas, si el nivell d’aigua exterior és constant, les línies de corrent es troben a la part mitjana de la paràbola.
Fig. 10. Xarxa de flux en un terraplè permeable sobre sòl impermeable
Al talús aigües amunt, les paràboles connecten amb les línies perpendiculars al talús, que representa la línia equipotencial, perquè a nivell constant N1 l’aigua no baixa pel talús. Amb el talús aigües avall, les paràboles acaben tangencialment al talús, que no és ni una línia equipotencial ni una línia de corrent. La superfície del sòl impermeable sota el terraplè és una línia de corrent, perquè l’aigua del fons del terraplè flueix paral·lela a aquesta superfície. A la part superior, la xarxa de flux acaba amb una paràbola bàsica anomenada línia de filtració, que representa el límit del sòl sota l’acció de la filtració. Per sota d’aquest límit, el sòl es troba sota l’efecte de la filtració a causa de la pressió hidrostàtica de l’aigua externa H*γW, mentre que no hi ha filtració al sòl a sobre. La línia de filtració també s’anomena línia de saturació, ja que se suposa que el sòl per sota d’ella està completament saturat d’aigua, mentre que per sobre està parcialment saturat.
L’avaluació real del pendent ha d’incloure la investigació, l’estratificació, els paràmetres de resistència, les aigües subterrànies i superficials, els canvis de nivell, les fases de drenatge, sísmica, d’excavació o d’ompliment, estructures adjacents i condicions temporals. L’excavació sense la protecció adequada i l’entrada a la zona de possible esllavissada no són segures en funció del text general o de la pròpia forma del talús.