Factor de seguridad del talud

• Marianella Lizbeth Guerrero Castillo
• Sept. 24, 2023

 

I. INTRODUCCIÓN

Los taludes, ya sean naturales como laderas montañosas, o artificiales como cortes en carreteras y embalses, desempeñan un papel fundamental en la topografía, ingeniería civil, minería, etc. Sin embargo, la estabilidad de estos taludes es crucial, no solo para la integridad de las estructuras y vías que los rodean, sino también para la seguridad de las personas que viven o transitan cerca de ellos. El deslizamiento o colapso de un talud puede tener consecuencias catastróficas, desde daños materiales hasta pérdida de vidas. Por lo tanto, garantizar su estabilidad es una prioridad en la geotecnia. Ahora, una herramienta esencial en este ámbito proporciona una medida cuantitativa de la estabilidad de un talud será el Factor de Seguridad del Talud.

 

II.CONCEPTOS

TALUD

Define a un terreno como una superficie de terreno expuesta que posee un ángulo en referencia con la horizontal.

 

FACTOR DE SEGURIDAD

Corresponde a la razón entre la resistencia del material y las solicitaciones actuantes sobre el mismo. Es adimensional y generalmente se define en términos de su valor medio en una potencial superficie de ruptura. De acuerdo con esto, si FS es mayor que 1.0 se tiene una condición estable o de “no falla”; si FS es igual a 1.0 se tiene una condición de “equilibrio límite” o “falla incipiente”; y si FS es menor que 1.0 se tiene una condición de falla o inestabilidad.(Quispe, 2017).

 

DISEÑO Y ANÁLISIS DEL BANCO

El diseño geotécnico de los taludes requiere la determinación de la geometría del sistema Banco-Berma, sistema que define la magnitud del ángulo Interrampa empleado en planificación minera.

 

Imagen 01: Parámetros geotécnicos que definen la geometría Banco-Berma(Quispe, 2017).

 

 

Una vez que estos parámetros han sido definidos, el ángulo interrampa, αIR, queda dado por:

 

 

III. CÁLCULO Y EVALUACIÓN DEL FACTOR DE SEGURIDAD

Se pueden clasificar en dos métodos: Cálculo de deformaciones y Métodos de equilibrio límite.

 

- Métodos de cálculo de deformaciones.

Consideran el cálculo de las deformaciones en terreno, además de las leyes de la estática.

 

- Métodos de equilibrio límite. 

Se basan exclusivamente en las leyes de la estática para determinar el estado de equilibrio de una masa de terreno potencialmente inestable. No tienen en cuenta deformaciones del terreno y suponen que la resistencia al corte se moviliza total y simultáneamente a lo largo de la superficie de corte.

 

Imagen 02: Esquema métodos de cálculo para estabilidad de taludes

 

IV. INESTABILIDAD DE TALUDES

Los deslizamientos se producen como consecuencia de los desequilibrios existentes entre las fuerzas que actúan sobre un volumen de terreno. Los factores que influyen en la inestabilidad de taludes pueden ser:

 

- Factores internos: Condicionan las diferentes tipologías de deslizamiento, los mecanismos y modelos de rotura(características intrínsecas, relativas a las propiedades del material y a su resistencia y las características extrínsecas relacionadas con la morfología y condiciones ambientales de la ladera).

 

- Factores externos: Actúan sobre el material y dan lugar a modificaciones en las condiciones iniciales de los taludes, provocando o desencadenando las roturas debido a las variaciones que ejercen en el estado de equilibrio (la infiltración de agua en el terreno, las vibraciones y las modificaciones antrópicas).

 

Los taludes en minería a cielo abierto como en taludes de obras civiles de carretera, se centra principalmente en la estabilidad de bloques de roca generados por las discontinuidades. Para esto, se emplean los análisis cinemáticos de mecanismos de falla, que emplean un método analítico mediante red estereográfica para identificar posibles fallas. Los principales mecanismos a considerar son la falla plana y la falla por cuña, entre otros, cada una con sus condiciones.

 

ANÁLISIS DE FALLA PLANA

Una falla plana consiste en el deslizamiento de una masa de roca a lo largo del plano de una discontinuidad.

 

Imagen 03. Condiciones de deslizamiento para falla plana

 

 

 

ANÁLISIS DE FALLA POR CUÑA

Consiste en roturas cuyo deslizamiento está controlado por dos o más discontinuidades que forman una cuña o bloque de roca con potencial riesgo a desprendimiento en caída libre, corresponde a uno de los tipos de falla más comunes debido a que sus condiciones de deslizamiento pueden cumplirse en un rango de condiciones geológicas y geométricas mucho mayor al de fallas planas.

 

Imagen 04: Condiciones de deslizamiento para falla por cuña

 

 

 

 

ANÁLISIS DE FALLA POR VOLCAMIENTO

Consiste en una rotación de columnas o bloques de roca desde una base fija.

 

Imagen 05: Modos de falla por volcamiento. (a) Por flexión. (b) De bloques

 

 

Se deben cumplir tres condiciones básicas para un potencial colapso por volcamiento, las cuales involucran la geometría de los bloques o columnas de roca, la alineación de estos y el deslizamiento entre los contactos de los bloques o columnas. Con respecto a la geometría, se debe cumplir que el ángulo de inclinación del plano base que soporta las columnas o bloques debe ser menor al ángulo de fricción interna del material. La alineación hace referencia a que las columnas o bloques deben tener una orientación aproximadamente paralela a la cara del talud, considerando un rango de ±20º. Por último, el desplazamiento entre los bloques se enfoca en determinar si los esfuerzos normales permiten el deslizamiento entre bloques.

 

Imagen 06: Condiciones de deslizamiento para falla por volcamiento

 

 

ANÁLISIS DE ESFUERZOS MEDIANTE MODELAMIENTO NUMÉRICO

Los métodos numéricos permiten representar una aproximación de la realidad de manera simplificada a través de una formulación matemática y una sucesión de operaciones numéricas de resolución de ecuaciones diferenciales que en la mayoría de los casos se converge a una solución aproximada.

 

En minería, el modelamiento numérico apoya el diseño de taludes y excavaciones subterráneas mediante la predicción de carga, deformación y estabilidad a través de análisis de esfuerzos, en la medida de que se disponga de suficiente información geológica y geotécnica. El análisis numérico suele estudiar la estabilidad en términos de deformación máxima y desplazamientos. Permitiendo representar de manera más precisa las condiciones de borde de un problema complejo.

 

V. CASO DE ESTUDIO

Azmoon(2021) presenta un estudio comparativo entre métodos de aprendizaje profundo como una nueva categoría de análisis de estabilidad de taludes, basada en los avances recientes en inteligencia artificial y métodos convencionales de análisis de equilibrio límite. Para ello se desarrolló un código informático que calcular el factor de seguridad (FS) utilizando cuatro métodos de equilibrio límite: método simplificado de Bishop, el método de Fellenius, el método simplificado de Janbu y el método corregido de Janbu. 

 

Este estudio encontró que los métodos de aprendizaje profundo pueden alcanzar precisiones hasta un 99,71% y mejora la eficiencia computacional en más de 18 veces en comparación con métodos convencionales.

 

Imagen 07: La comparación entre LEM y el modelo de regresión

 

 

VI. CONCLUSIONES

El factor de seguridad de un talud es esencial para comprender y gestionar los riesgos asociados con la inestabilidad de los taludes. Evaluar correctamente este factor es fundamental para garantizar la integridad estructural de las infraestructuras y proteger las vidas humanas.

 

La determinación del factor de seguridad del talud no depende de una sola variable. Factores geológicos, geomorfológicos, hidrológicos, y las condiciones de carga desempeñan roles significativos en la estabilidad global del talud. Cada uno de estos elementos debe ser considerado meticulosamente.

 

Las herramientas y técnicas modernas, como el modelado geotécnico computacional, permiten una evaluación más precisa del factor de seguridad en diversos escenarios, considerando múltiples variables simultáneamente. Estas herramientas, cuando se utilizan adecuadamente, pueden prever con mayor precisión posibles puntos de fallo y áreas de preocupación.

 

VII. BIBLIOGRAFÍA

Azmoon, B.; Biniyaz, A.; Liu, Z. Evaluation of Deep Learning against Conventional Limit Equilibrium Methods for Slope Stability Analysis. Appl. Sci. 2021, 11, 6060. https://doi.org/10.3390/ app11136060.

Carrasco G., Urbina R. 2019. Cálculo del factor de seguridad aplicando tensiones totales en los taludes de la carretera Baños del Inca – Llacanora.Teis de Pregrado.UNP.

Chipana J. 2017. Análisis de estabilidad y sensibilidad del factor de seguridad con respecto al nivel de embalse del dique Torata.Tesis de Pregrado. UNSA.

Monte I. 2020. Análisis de estabilidad de taludes de roca mediante el Método de Elementos Finitos. Tesis de Pregrado.Universidad de Concepción.

Ochoa L. 2016. Inestabilidad de taludes en el sector de Santa Bárbara de la ciudad de Huancavelica.Tesis de Pregrado.UNA.