Contenido experto en archivos y riesgo grave: el artículo conserva el relato histórico de la estabilidad de pendientes, símbolos, fórmulas y diagramas del texto original. No se trata de un estudio geotécnico, proyecto de excavación o terraplén, cálculo de estabilidad, plan de drenaje, evaluación de deslizamientos ni instrucciones de trabajo. Una pendiente inestable puede sepultar repentinamente a personas, edificios y carreteras; Las grietas, protuberancias, agua turbia, hundimientos o desplazamientos repentinos observados deben considerarse como un motivo para alejarse de la zona de peligro y realizar una evaluación profesional urgente.
Savo Kusić hoy se centra en ventanas de madera, ventanas de madera y aluminio, ventanas personalizadas, puertas y solicitudes de cotización. Este artículo queda como archivo técnico y no representa una oferta de diseño geotécnico, supervisión o ejecución de movimientos de tierras.
En el caso de movimientos de tierra construidos, como cortes, terraplenes y canales, los taludes finales a veces colapsan. Y un talud natural, sin obras artificiales, puede moverse de repente y con mucha fuerza o muy lentamente. Estos fenómenos han sido durante mucho tiempo objeto de estudios geológicos y geomecánicos, con el objetivo de evaluar la estabilidad a partir de las características físicas del suelo y las condiciones de cada caso individual.
Causas del movimiento de masas terrestres
La condición para la estabilidad de cualquier suelo, ya sea un objeto de tierra artificial o un suelo natural, es que exista un equilibrio entre las fuerzas externas y la resistencia interna del suelo. Las fuerzas externas son principalmente el propio peso del suelo, que suele ser la única fuerza externa, seguida de cualquier otra carga externa que actúa sobre el talud, ya sea permanente o en movimiento. La resistencia interna consiste en cohesión y fricción en suelo ligado, y sólo fricción en suelo no ligado.
Fig. 1. Pendiente del terraplén de tierra suelta
Si observamos un terraplén de altura h hecho de suelo completamente suelto, por ejemplo arena seca compactada, determinaremos que la pendiente de ese terraplén está inclinada formando un ángulo β con la horizontal (fig. 1). El tamaño del ángulo β depende de varios factores como el tamaño del grano, la forma del grano y la compactación. Si aumentamos la altura del terraplén h a h1, h2, etc. con el mismo material sin aglutinar de la misma compactación, el ángulo β no cambiará, la pendiente del terraplén permanecerá en la misma pendiente hasta una altura ilimitada h. Para un suelo suelto dado, el ángulo de pendiente natural β es independiente de la altura de la pendiente h. El tamaño del ángulo β para suelo no ligado depende del ángulo de fricción interna del suelo φ y se supone que es ligeramente menor o igual a él, β ≤ φ.
Fig. 2. Corte de pendiente en suelo ligado
Si observamos un corte realizado en suelo ligado, encontraremos que la pendiente del corte se mantiene bajo una pendiente más fuerte 1:m, es decir, en un ángulo mayor β debido a que la resistencia interna del suelo ligado se incrementa por la cohesión, que no existe en arena seca (fig. 2). En ciertos tipos de suelo, como el loess seco, la cohesión puede aumentar la resistencia interna hasta tal punto que el suelo puede sujetarse con un lado cortado verticalmente, es decir, en un ángulo β = 90°. Sin embargo, si aumentamos la altura de corte h en suelo ligado a h1, h2, etc., el ángulo de inclinación de la pendiente del corte β debe reducirse para mantener la pendiente en estabilidad. Para cada ángulo de pendiente β de la pendiente del corte en un suelo acotado dado existe una altura crítica hc. Si superamos esta altura, el talud AB no se mantendrá en equilibrio y deslizará sobre una superficie deslizante CD (fig. 3). El deslizamiento se produjo debido a una alteración en el equilibrio entre la fuerza externa, el peso propio de la masa de tierra y la resistencia interna, que ya no era suficiente para oponerse a la fuerza externa aumentada, es decir, al aumento de peso de la masa de suelo causado por el aumento de la altura de la pendiente h.
Fig. 3. Deslizamiento de pendiente en suelo cohesivo
De lo anterior se deduce que el ángulo de pendiente natural del suelo no puede adoptarse como un valor constante para el suelo dado, ya que su valor en todas las demás condiciones depende de la altura de la pendiente y disminuye con el aumento de esta altura. Sin embargo, a menudo se adopta para pendientes de pequeñas alturas como un valor constante, que depende del ángulo de fricción interna del suelo φ.
La alteración del equilibrio también puede ocurrir sin aumentar la altura de corte h, por ejemplo cuando disminuye la resistencia interna del suelo. Los elementos de resistencia interna del suelo ligado, cohesión y fricción, son muy variables y dependen de la cantidad de agua en el suelo. Por tanto, en muchos casos, la causa del deslizamiento es la sobresaturación del suelo retenido por el agua, que puede ser tan grande que el suelo ya no es capaz de sostenerse bajo ninguna pendiente, sino que se desliza por su propio peso.
Fig. 4. Deslizamiento del suelo por formación de superficies deslizantes
Existen diversos casos de deslizamiento del suelo por reducción de la resistencia interna, de los cuales mencionaremos aquí algunos característicos.
Educación de superficies deslizantes
Si hay una capa impermeable de arcilla en una pendiente debajo de la capa superficial de suelo permeable (fig. 4a), o si hay una capa inclinada de arena en la capa de arcilla (fig. 4b), a la que puede llegar el agua atmosférica o superficial (por ejemplo, desde una zanja de drenaje descuidada), pueden ocurrir deslizamientos de tierra. Una mayor cantidad de agua pasa a través de la capa permeable a la capa de arcilla, que moja fuertemente, reduciendo su resistencia en la superficie, donde resbala la capa superior.
Perturbación del equilibrio al realizar un corte
Los cortes durante la construcción de ferrocarriles y carreteras alteran el estado de equilibrio anterior, porque en el perfil cortado el suelo queda sin soporte y tiende a moverse hacia abajo debido a la gravedad. Se puede mantener un estado de equilibrio si la resistencia interna del suelo es lo suficientemente grande como para contrarrestar esta tendencia, lo que también es posible cuando el suelo cortado está formado por capas fuertemente inclinadas hacia el corte.
Fig. 5. Deslizamiento del terreno por corte en suelo estratificado
Sin embargo, si se cortan alternativamente capas de suelo impermeable y permeable (Fig. 5), existe la posibilidad de lixiviación del suelo permeable y humectación del suelo impermeable, lo que puede provocar deslizamiento.
Inhomogeneidad del suelo
Las finas capas de material impermeable en un terraplén hecho de suelo permeable, las llamadas lentes de arcilla (fig. 6), también pueden provocar deslizamientos si les llega una gran cantidad de agua y forman una superficie de deslizamiento.
Fig. 6. Caso de deslizamiento de terraplén por composición no homogénea
Efecto de las heladas
Bajo el efecto de las heladas, el agua se acumula en la capa superficial en forma de lentes de hielo. Durante el deshielo, las lentes de hielo se convierten en agua, que sobresatura el suelo hasta la profundidad de la acción de las heladas, como resultado de lo cual se convierte en una masa líquida y pierde su estabilidad.
Este caso ocurre sólo en suelos peligrosos para las heladas y con una duración más larga de las heladas, porque se necesita mucho tiempo para la formación de lentes de hielo.
Disminución del nivel del agua subterránea
Cuando el nivel freático baja permanentemente, por ejemplo debido a trabajos en el suelo, el suelo se seca y, si es arcilla que tiene un gran hinchamiento, aparecen grietas. En ellos entran mayores cantidades de agua superficial y atmosférica, mojando el suelo y reduciendo su resistencia interna, lo que también puede provocar deslizamientos de tierra.
También existen muchos otros casos de deslizamiento del terreno, por lo que se puede considerar que cualquier suelo coherente puede, en determinadas circunstancias, perder en mayor o menor medida su resistencia interna y, bajo la influencia de fuerzas externas, ponerse en movimiento.
El suelo incoherente es estable siempre que el ángulo de inclinación de la pendiente sea menor que el ángulo de fricción interna del suelo. En este tipo de suelo, el deslizamiento ocurre sólo si el ángulo de pendiente es mayor que el ángulo de fricción interna. Sin embargo, si un terraplén está hecho de material no ligado sobre suelo arcilloso, el suelo arcilloso puede deslizarse y el terraplén colapsar, y es necesario comprobar la estabilidad.
Prueba de estabilidad de taludes de tierra
Forma de superficie deslizante
La condición de equilibrio entre las fuerzas externas y la resistencia interna del suelo fue establecida por Coulomb con su ecuación
τ ≤ c + σ tgϕ
donde τ es el esfuerzo cortante del suelo, c es la cohesión, σ es el esfuerzo normal sobre la superficie de deslizamiento, ϕ es el ángulo de fricción interna.
Si la resistencia interna del suelo, la cohesión c y la fricción σ tgϕ no son suficientes para oponerse al esfuerzo cortante del suelo, se produce deslizamiento sobre una superficie de deslizamiento dentro del suelo. Existen diferentes formas de superficies deslizantes, que dependen de las propiedades físicas del suelo, estratificación, humedad, carga externa y otros factores.
Las siguientes cajas deslizantes típicas difieren según la posición:
Fig. 7. Casos típicos de deslizamientos de tierra
a) Deslizamiento de los lados verticales del corte. En el caso de canales para abastecimiento de agua, alcantarillado, etc., que se excavan con lados verticales (fig. 7a), si se excede la altura crítica hc, que depende de las propiedades físicas del suelo, se produce deslizamiento en la superficie ADC. Estos deslizamientos no suelen ocurrir a lo largo de todo el canal, sino que están localizados, lo que se explica por la resistencia al corte desigual del suelo.
b) Deslizamientos de pendiente parcial (fig. 7b). Estos deslizamientos suelen aparecer en primavera en los cortes de vías férreas y carreteras y son el resultado de la sobresaturación del suelo con agua.
c) Pendiente deslizándose por la noche (fig. 7c). Es el deslizamiento de todo el talud del corte o terraplén hasta el tramo C.
d) Pendiente deslizándose bajo los pies (Fig. 7d). Es el deslizamiento de todo el talud del corte o terraplén y del suelo bajo la zapata. Este deslizamiento también se llama fractura de subrasante o fractura sueca, en honor a los suecos que la describieron por primera vez.
En cuanto a la forma de la superficie de deslizamiento, sólo se puede afirmar que la superficie de deslizamiento en suelo ligado no es recta, sino que es una superficie curva. Algunos autores adoptan un arco circular (Fellenius), una espiral logarítmica (Rendulić) o una combinación de estas líneas curvas (Brinch Hansen) como forma de la superficie de deslizamiento.
Efecto de la filtración de agua en la estabilidad de pendientes
Si hay agua externa con nivel N1 (fig. 8) frente al talud, se produce un flujo de agua en el suelo detrás del talud, lo que provoca la presión interna del agua en los poros, como resultado de lo cual disminuye la fricción entre las partículas sólidas y aumenta el esfuerzo cortante en el suelo.
Si el nivel del agua N1 frente a la pendiente es constante, la columna de agua H*γW causa presión de agua en los poros del suelo, lo que reduce la fricción entre las partículas sólidas, como resultado de lo cual aumenta el peligro de deslizamiento de la pendiente. Sin embargo, cuando el nivel N1 es constante, la presión de la columna de agua H*γW empuja las partículas sólidas hacia el interior del suelo, por lo que se reduce en cierta medida el peligro de deslizamiento de la pendiente. En este caso, con un nivel de agua constante N1 frente al talud, existe peligro de que el talud aguas abajo se deslice, porque la acción de la filtración del agua en el suelo hace que las partículas sólidas sean empujadas hacia el exterior del talud aguas abajo.
Fig. 8. El efecto de la filtración sobre la estabilidad de la pendiente del suelo
Si el nivel del agua exterior cae bruscamente desde el nivel de N1 hasta N2, la estabilidad de la pendiente aguas arriba se ve amenazada. En ese caso, el agua interna fluye por los poros hacia el lado exterior del talud aguas arriba, empujando las partículas sólidas hacia ese lado.
Por todo eso, si el talud del suelo está sumergido en agua, el efecto de la filtración del agua también debe tenerse en cuenta al probar la estabilidad del talud.
El efecto de la filtración de agua en el suelo depende de varios factores, los más importantes son permeabilidad del suelo, presión hidrostática del agua externa, tasa de disminución del nivel del agua externa y homogeneidad del suelo.
Si asumimos que el terraplén de la fig. 8 de masa homogéneamente isotrópica, bajo el efecto de la presión hidrostática del agua exterior de nivel N1, el agua fluirá por los poros del terraplén en dirección a la pendiente aguas abajo, por lo que el nivel de las aguas subterráneas en el terraplén irá disminuyendo con la longitud del camino recorrido. Si introducimos los tubos piezómetros AA’, BB’ y CC’ en el terraplén (fig. 9), el agua intersticial bajo el efecto de la presión hidrostática entrará en estos tubos y ascenderá hasta el nivel N1, que puede ser el mismo en todos los tubos, si se seleccionan los puntos A, B y C de manera que las alturas de la columna de agua en los tubos sean h1, h2 y h3.
Fig. 9. Líneas equipotenciales y actuales
Si denotamos por h la elevación del nivel del agua N1 en relación con algún plano O-O elegido arbitrariamente, entonces el potencial h para todos los puntos 3, A, B y C es el mismo. La línea que conecta estos tres puntos es la línea equipotencial. El agua subterránea en el suelo no puede fluir a lo largo de esa línea, sino solo en dirección a puntos con menor potencial.
De manera similar podemos seleccionar en una misma masa los puntos D, E y F con menor potencial h ― Δh. La línea que une estos tres puntos es la línea equipotencial de potencial h ― Δh. El flujo de agua desde el punto A de la línea equipotencial ABC hasta algún punto infinitamente cercano D de la línea equipotencial DEF existirá en la dirección de la mayor caída hidráulica imax, es decir, en la dirección de la distancia más pequeña Δlmin = AD. Esto significa que la línea AD por la que fluye el agua es perpendicular a ambas líneas equipotenciales, porque
imax = Δh / Δlmin
donde Δlmin es normal a ambas líneas equipotenciales. Esas normales a las líneas equipotenciales son las direcciones del flujo de agua en la masa permeable y se denominan líneas de corriente. La comunidad de líneas equipotenciales y de corriente, mutuamente perpendiculares entre sí, forma una red de flujo.
Las redes de flujo tienen diferentes formas según la permeabilidad de la masa. El caso más común es un terraplén hecho de masa permeable sobre suelo impermeable, es decir, sobre suelo que puede hacerse impermeable (fig. 10). En este caso, si el nivel externo del agua es constante, las líneas de corriente están en su parte media de la parábola.
Fig. 10. Red de flujo en un terraplén permeable sobre suelo impermeable
En la pendiente aguas arriba, las parábolas se conectan con las líneas perpendiculares a la pendiente, que representa la línea equipotencial, porque a un nivel constante N1 el agua no fluye cuesta abajo. Con la pendiente aguas abajo, las parábolas terminan tangencialmente a la pendiente, que no es una línea equipotencial ni una línea de corriente. La superficie del suelo impermeable debajo del terraplén es una línea de corriente, porque el agua en el fondo del terraplén fluye paralela a esta superficie. En la parte superior, la red de flujo termina con una parábola básica llamada línea de filtración, que representa el límite del suelo bajo la acción de la filtración. Por debajo de este límite, el suelo está bajo el efecto de filtración debido a la presión hidrostática del agua externa H*γW, mientras que en el suelo por encima no hay filtración. La línea de filtración también se llama línea de saturación, ya que se supone que el suelo debajo de ella está completamente saturado con agua, mientras que arriba está parcialmente saturado.
La evaluación de pendiente real debe incluir investigación, estratificación, parámetros de resistencia, agua subterránea y superficial, cambios de nivel, drenaje, fase sísmica, excavación o relleno, estructuras adyacentes y condiciones temporales. La excavación sin la protección adecuada y el ingreso a la zona de posible deslizamiento de tierra no son seguros según el texto general o la forma de la pendiente misma.