Proyecto Final Geotecnia

2015

Proyecto FinalModelacin en Abaqus de la Influencia de los parmetros del suelo y la geometra en la estabilidad de taludesR. Carrillo, J. Cueto & C. Vega

ResumenLa estabilidad de taludes es la teora que estudia la estabilidad o posible inestabilidad de un talud a la hora de realizar un proyecto, o llevar a cabo una obra de construccin de ingeniera civil, siendo un aspecto directamente relacionado con la ingeniera geotcnica. En este proyecto se procede a elaborar el modelamiento en Abaqus de la Influencia de los parmetros del suelo y la geometra en la estabilidad de taludes. Los resultados sern cuidadosamente analizados, y por ltimo se darn sugerencias para estudios posteriores y aspectos importantes para tener en cuenta en el modelamiento de taludes a futuro.AbstractSlope stability is the theory that studies the stability or instability of a slope as possible when a project is to be executed, or to carry out a construction of civil engineering, with an aspect directly related to geotechnical engineering. In this project we proceed to develop the modeling in Abaqus of the influence of soil parameters and geometry on the stability of slopes. The results will be carefully analyzed, and finally suggestions for further studies and important aspects to be considered in the modeling of future slope will.

IntroduccinTalud es el trmino que se utiliza para designar a la acumulacin de fragmentos de roca partida en la base de paredes de roca, acantilados de montaas, o cuencas de valles. Estos depsitos tpicamente poseen una forma cncava hacia arriba, mientras que la mxima inclinacin de tales depsitos corresponde al ngulo de reposo correspondiente al tamao promedio de las rocas que lo componen.Tambin, estos son utilizados en la ingeniera como estructuras que dan solucin idneamente a las problemticas que el diseo plantea. Existen varios parmetros que pueden influenciar directamente sobre la estabilidad de estos y el correcto funcionamiento para el cual fueron diseados. El tipo de suelo, su ngulo phi, la geometra del talud, entre otros; son factores importantes a considerar para el diseo de un talud.Para ganar precisin en este proyecto final, se procede a elaborar el modelamiento en Abaqus de la Influencia de los parmetros del suelo y la geometra en la estabilidad de taludes. Los resultados sern cuidadosamente analizados, y por ltimo se darn sugerencias para estudios posteriores y aspectos importantes para tener en cuenta en el modelamiento de taludes a futuro.

Objetivo General

Simular en Abaqus la influencia que tienen parmetros del suelo y geomtricos de taludes sobre la estabilidad de estos mismos.

Objetivos Especficos

Determinar la importancia que tiene la geometra en la estabilidad de un talud. Establecer qu condiciones del suelo y de material son las ms apropiadas para la construccin de un talud. Dar recomendaciones para futuros proyectos constructivos que estn relacionados con la elaboracin de taludes.

JustificacinLa estabilidad de taludes es la teora que estudia la estabilidad o posible inestabilidad de un talud a la hora de realizar un proyecto, o llevar a cabo una obra de construccin de ingeniera civil, siendo un aspecto directamente relacionado con la ingeniera geotcnica. La inestabilidad de un talud, se puede producir por un desnivel, que tiene lugar por diversas razones.Las razones geolgicas estn relacionadas con laderas posiblemente inestables, orografa acusada, estratificacin, meteorizacin, etc. La variacin del nivel fretico tambin influencia sobre la estabilidad de taludes, este se ve reflejado sobre todo en situaciones estacionales, u obras realizadas por el hombre. Las obras de ingeniera, como rellenos o excavaciones tanto de obra civil, como de minera, tambin poseen cierta influencia.Los taludes adems sern estables dependiendo de la resistencia del material del que estn compuestos, los empujes a los que son sometidos o las discontinuidades que presenten. Los taludes pueden ser de roca o de tierras. Ambos tienden a estudiarse de forma distinta. Este proyecto es importante realizarlo debido a que los taludes son utilizados en una amplia gama de obras relacionadas con la ingeniera civil. Es importante lograr que los taludes sean seguros y estables, ya que vidas humanas pueden ser puestas en riesgo, y hasta perderse, en caso de que un talud llegue a desplomarse. Conocer los factores que influyen en la estabilidad de estas estructuras es significativamente importante para predecir su futuro comportamiento y un correcto diseo.

Marco Terico Tipos de inestabilidadDesprendimientos o desplomesDesprendimientos o desplomes son movimientos de inestabilidad producidos por falta de apoyo, englobando a una escasa cantidad de terreno. Suele tratarse de rocas que caen por una ladera, debido a la prdida del apoyo que las sustentaba. Entre los desprendimientos o desplomes, se puede incluir el caso del desplome de una columna rocosa en un acantilado, debido a la erosin en la base del mismo. Pueden ser ocasionados por la naturaleza o por la humanidad.CorrimientosSon movimientos que afectan a una gran cantidad de masa de terreno. Un tipo particular de corrimiento de tierra son los deslizamientos, que se producen cuando una gran masa de terreno o zona inestable, desliza con respecto a una zona estable, a travs de una superficie o franja de terreno de pequeo espesor. Los deslizamientos se producen cuando en la franja se alcanza la tensin tangencial mxima en todos sus puntos. Estos tipos de corrimiento son ingenierilmente evitables. Sin embargo, los siguientes no son clasificados como tal:Flujos de arcilla: Un flujo de arcilla se produce en zonas muy lluviosas afectando a zonas muy grandes. Los terrenos arcillosos, al entrar en contacto con el agua, se comportan como si alcanzasen el lmite lquido, y se mueven de manera ms lenta que los deslizamientos. Se da en pequeas pendientes, pero en gran cantidad.Licuefaccin: se da en zonas de arenas limosas saturadas, o en arenas muy finas redondeadas (loess). Debido a la gran cantidad de agua intersticial que presentan, las presiones intersticiales son tan elevadas que un sesmo, o una carga dinmica, o la elevacin del nivel fretico, pueden aumentarlas, llegando a anular las tensiones efectivas. Esto motiva que las tensiones tangenciales se anulen, comportndose el terreno como un pseudolquido. Se produce, entre otros terrenos, en rellenos mineros.Reptacin: movimiento muy lento que se da en capas superiores de laderas arcillosas, de en torno a 50 centmetros de espesor. Est relacionado con procesos de variacin de humedad estacionales. Se manifiestan en forma de pequeas ondulaciones, y suelen ser signo de una posible futura inestabilidad generalizada.

Mtodos analticos de clculoEn ingeniera los clculos buscan estimar el conjunto de fuerzas que acta sobre la porcin de tierra. Si las fuerzas disponibles para resistir el movimiento son mayores que las fuerzas que desequilibran el talud entonces se considerar estable. El factor de seguridad es el cociente entre ambas y tiene que ser mayor que 1 para considerar el talud estable:

En caso de terremoto, infiltracin de agua, obras descontroladas u otro tipo de causa el equilibrio puede romperse, las fuerzas desequilibradoras ser mayores de las estimadas y producir finalmente la rotura. Para calcular las fuerzas se pueden emplear los siguientes mtodos.Mtodo de Bishop: Bishop (1955) present un mtodo utilizando Dovelas y teniendo en cuenta el efecto de las fuerzas entre las Dovelas. Bishop asume que las fuerzas entre dovelas son horizontales o sea que no tiene en cuenta las fuerzas de cortante. La solucin rigurosa de Bishop es muy compleja y por esta razn se utiliza una versin simplificada de su mtodo. Aunque el mtodo solo satisface equilibrio de momentos, se considera que los resultados son muy precisos en comparacin con el mtodo ordinario.

Dnde:

c' : es la cohesin efectiva: es elngulo de rozamiento internob: es el ancho de cada rebanada, asumiendo que todas tienen el mismo espesorW es el peso de cada rebanadau: es la presin de agua en la base de cada rebanada

MetodologaPara el desarroyo del proyecto se modelarn varios taludes segn se describir a continuacin teniendo como material de suelo principalmente arena arcillosa, escogido simplemente por ser uno de los materiales mas comnes en nuestra localidad. Para la escogencia de parmetros contamos con tablas de rangos tpicos obtenidas del libro Foundation Analysis and Design por Joseph E. Bowles.

Tabla valores tpicos ngulo de friccin. Bowles, J.

Tabla valores tpicos relacin de Poisson. Bowles, J.

Tabla valores tpcos modulo de Elasticidad. Bowles, J.

Modelos a simularSe plantearon los siguientes modelos para los cuales se hace un cambio clave con el fin de observar las principales diferencias entre los resultados influidos por dicho cambio especfico.Cambio de altura de talud

Asumiendo una arena arcillosa y teniendo en cuenta las tablas de valores tpicos se asignarn los siguientes parmetros para los 3 modelos. = 30c = 20 kPaE = 30.000 kPa = 0,3

Cambio de pendiente de talud

= 30c = 20 kPaE = 30.000 kPa = 0,3

Cambio de mdulo de ElasticidadEs importante aclarar que es posible que el conjunto de valores , c y E no sean muy comunes para los suelos pero se hace con el fin de solo variar un parmetro para observar su incidencia individual en los resultados. = 30E = 30.000 kPa = 0,3PruebaE (KPa)

15.000

210.000

320.000

430.000

540.000

655.000

780.000

8100.000

Cambio de ngulo de friccinE = 30.000 kPac = 20 kPa = 0,3

Prueba ()

10

210

315

420

530

640

750

860

Cambio de cohesin = 30E = 30.000 kPa = 0,3Pruebac (KPa)

10,001

25

315

420

530

640

760

8100

ModelacinEl proceso de modelacin consiste en el dibujo de una seccin de tierra que correspondera a la seccin transversal del elemento a analizar, en este caso un talud de tierra, y luego la asignacin de los materiales conformantes.Para implementar el mtodo de los elementos finitos con el software Abaqus es necesario dividir la seccin en cuadrilteros y aplicar restricciones de movimiento en las fronteras. En general los modelos fueron diseados de la siguiente forma.

Mallado en Abaqus

Fuerza Gravitacional (flecha amarilla), Restricciones (flechas naranja)El modelo luego se corre, usando una fuerza de gravedad con el mtodo de anlisis Dinmico, Explcito, lo que nos permite analizar el modelo a travs del tiempo dndole una amplitud a la aplicacin de la fuerza. Los resultados de la ejecucin del anlisis devuelven datos representados en esquemas de colores sobre la deformacin (U), los esfuerzos de Von Mises (S), esfuerzos verticales y horizontales, entre otros. Los datos de nuestro inters son los de deformacin que nos da informacin grfica sobre la superficie de falla.Para hallar el factor de seguridad en cada caso se aplica el mtodo propuesto por Smith y Griffins que consiste en reducir los valores para Phi y C mediante las siguientes ecuaciones, hasta llegar al fallo del suelo. El factor FOS en ese caso correspondr al factor de seguridad de dicho elemento.

ResultadosCambio de altura de taludCambio de altura de Talud

h = 10m, FS = 2

h = 6m, FS = 2,5

h = 3m, FS = 4,1

Cambio de pendiente del TaludCambio de pendiente Talud

m = 1, FS = 2

m = 1,7 FS = 2,5

m = 2,5 FS = 3,1

Cambio de mdulo de elasticidad

Cambio de mdulo de Elasticidad E

E = 5000 kPa FS = 2,2E = 10000 kPa FS = 2,2

E = 20000 kPa FS = 2E = 30000 kPa FS = 2

E = 40000 kPa FS = 1,9E = 55000 kPa FS = 1,9

E = 80000 kPa FS = 1,8E = 100000 kPa FS = 1,8

Cambio de ngulo de friccinCambio de ngulo de friccin

= 0 FS < 1 = 10 FS = 1,2

= 15 FS = 1,4 = 20 FS = 1,5

= 30 FS = 1,9 = 40 FS = 2,2

= 50 FS = 2,7 = 60 FS = 3,4

Cambio de cohesinCambio de cohesin Talud

C = 0,001 FS < 1C = 5 kPa FS = 1,1

C = 15 kPa FS = 1,6C = 20 kPa FS = 1,9

C = 30 kPa FS = 2,4C = 40 kPa FS = 2,7

C = 60 kPa FS = 3,5C = 100 kPa FS = 5

Anlisis de ResultadosCambio de altura de TaludVemos que al disminuir la altura del talud, el factor de seguridad aumenta de manera aparentemente exponencial, lo cual adquiere gran sentido cuando vemos que si se tiene un h = 0 ya no sera un talud, por lo tanto no hay posibilidad que falle, es decir que al h aproximarse a 0 se tiene un Factor de seguridad que tiene al infinito. Esto puede entenderse por la accin de las fuerzas sobre la masa de tierra, las cuales al poseer un menor peso y volumen generarn menos esfuerzos sobre s mismas.Observando las superficies de falla podemos notar que el rea de falla se va reduciendo conforme se reduce la altura pero tambin es de resaltar que la profundidad mxima de la lnea de falla aumenta, es decir que teniendo menor altura, la superficie de falla alcanzar una mayor profundidad probablemente debido a los bulbos de esfuerzos en el talud.Cambio de pendiente de TaludLos resultados reflejan aparentemente una relacin directa proporcional entre el aumento de la pendiente y el factor de seguridad. Al igual que el anlisis para el cambio de altura vemos que si aumentamos infinitamente la pendiente, quedaremos con un terreno plano, en el cual el factor de seguridad tender al infinito, por lo que probablemente la grfica obtenida no sea concluyente y se presente una forma asinttica si se contina aumentando la pendiente.El aumento en el factor de seguridad cobra sentido al ver que cuando se aumenta la pendiente, los esfuerzos se distribuyen de mejor manera entre verticales y horizontales.Vemos que al aumentar la pendiente, el rea de falla es mayor e incrementa la profundidad a la que esta llega.

Cambio del mdulo de elasticidadPor la grfica E vs FS obtenida vemos que el aumentar el mdulo de elasticidad no tiene una incidencia importante en el cambio de factor de seguridad, pero se observa una tendencia a disminuir en este a medida se aumenta la elasticidad del suelo.En las figuras vemos bien representado el concepto de mdulo de elasticidad del suelo al observar que para valores relativamente bajos, la forma en la que falla el suelo es de cierto modo ms catica, con mayores deformaciones si se compara con los resultados para valores del mdulo ms altos donde apenas se pueden observar deformaciones de la figura empleada en el modelo. Es decir, que a mayor mdulo de Elasticidad mayor capacidad se observa en el suelo de mantener su forma original.Tambin se observa que el aumento del mdulo no ocasiona cambios en el rea de afeccin de la superficie de falla, la cual siempre se mantiene aparentemente igual, as como la magnitud de deformaciones totales representadas por colores, donde el rojo es el mayor valor y el azul oscuro el menor.Cambio de ngulo de friccinSegn los resultados obtenidos, es probablemente el parmetro ms importante en la conformacin de la superficie de falla, pues vemos que al tener 0 como ngulo de friccin, el suelo no puede aguantar su propio peso por accin de la gravedad, luego, conforme se va aumentando este valor, se va reduciendo notoriamente la superficie de falla debido a una mayor friccin entre las partculas de suelo. Tambin se aprecia en las figuras una mayor concentracin de las deformaciones totales, representado en un aumento del rea color rojo fuerte conforme se aumenta .El aumento del factor de seguridad conforme se aumenta el valor de es aparentemente proporcional pero se requieren de ms pruebas para concluir esto, sin embargo es de esperarse que al disminuir la superficie de falla, el factor de seguridad se vea aumentado.Cambio de cohesinVemos que el aumento de la cohesin tiene, al igual que el ngulo de friccin, una incidencia en el aumento del factor de seguridad, con tendencia de este a aumentar de manera proporcional; lo cual es coherente con lo que representa la cohesin que es una adhesin entre las partculas debido a fuerzas internas en funcin de los puntos de contacto entre estas.Al observar el cambio en la superficie de falla vemos que ocurre lo contrario al efecto de aumentar el ngulo de friccin, el rea de falla aumenta y la concentracin de las deformaciones es menor, se distribuye en una mayor seccin. Esto puede deberse al hecho de que existe mayor contacto entre las partculas de mayor cohesin, por lo que la distribucin de esfuerzos es mejor conforme aumenta dicha cohesin.Al modelar una cohesin de 0, a diferencia de = 0, el talud no se desmorona sobre s, sino hacia un lado. Esto porque como s existe friccin en esta prueba, las partculas pudieron soportar mejor el peso que en el caso de friccin nula.

Conclusin

Los resultados obtenidos en el proyecto no son del todo concluyentes, ya que los comportamientos variarn para diferentes tipos de suelos, adems de ser necesaria una mayor cantidad de pruebas para lograr afirmaciones veraces, sin embargo este trabajo puede servir como introduccin a una investigacin ms profunda que tenga en cuenta diferentes tipos de suelos as como diferentes estratificaciones.Podemos ver entonces, que diferentes parmetros tienen diferentes incidencias sobre el comportamiento de los taludes, siendo los dos ms cruciales el ngulo de friccin y la cohesin, los cuales son cruciales en la distribucin de esfuerzos y deformaciones y en la conformacin general de la superficie de falla as como el factor de seguridad directamente implicado.Los otros factores experimentados tienen repercusiones ms bien con la forma en que fallarn los taludes de acuerdo a los valores de estos parmetros. Por ejemplo, si comparamos dos taludes de igual materia y diferente pendiente, el que tenga la mayor, tendr una mayor superficie de falla mayor pero un factor de seguridad mayor, de modo que a partir de all corresponde al ingeniero decidir las acciones a seguir.Los suelos son elementos de la naturaleza y como tal tienen infinidad de variantes, lo que hace a la geotecnia un rea tan fascinante como compleja. Sin embargo investigaciones como esta procuran convertir la labor de estudio de esta materia en algo ms comprensible y permitir, en cierto modo, interferir con la naturaleza pues conoceremos exactamente los problemas, cuales son los parmetros que se necesitan controlar y consecuentemente, permite la creacin de estructuras que siguen en investigacin hoy da, las cuales permiten aminorar los comportamientos perjudiciales de los taludes de tierra.

Universidad del Norte Dpto. Ingeniera Civil y Ambiental1