"Si no puedes explicarlo de forma sencilla, no lo entiendes lo suficientemente bien" (Albert Einstein).

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"Si no puedes explicarlo de forma sencilla, no lo entiendes lo suficientemente bien" (Albert Einstein).

Bioingeniería aplicada a la estabilidad de taludes

Tal como señalan Richards & Copin (2007), el uso ingenieril de la vegetación se denomina “bioingeniería”, y consiste, básicamente, en el empleo de material vegetal vivo para realizar funciones de ingeniería. Aunque la bioingeniería se ha aplicado empíricamente a través de los siglos, actualmente se encuentra en desarrollo un gran esfuerzo de investigación en las mejores universidades del mundo, en aras de establecer un marco de referencia para la aplicación formal de la bioingeniería en los proyectos civiles ¿Quieres aprender algo más sobre el estado del arte de la bioingeniería aplicada a la estabilidad de taludes? Continúa leyendo este post…

Contenido

¿Qué es la bioingeniería?

El uso ingenieril de la vegetación se denomina “bioingeniería” (Richards & Coppin, 2007). Tal como señalan Norris et al (2008), en la bioingeniería del suelo se emplea material vegetal vivo para realizar funciones de ingeniería.

 

Aunque el uso de la vegetación para la estabilización de taludes comenzó en la antigüedad, la adopción y el desarrollo formal de esta tecnología han sido muy lentos, fundamentalmente debido a la dificultad a la que se enfrentan los ingenieros cuando intentan cuantificar los efectos beneficiosos de la vegetación en la estabilidad.

 

Una buena recopilación de ejemplos sobre técnicas antiguas de estabilización y control de erosión, fue publicada en hace algunos años por Geori & Stathakapoulos (2006). La Figura 1 muestra una figura ilustrativa de estas técnicas antiguas.

Figura 1 Aplicación de técnicas de bioingeniería antiguas para control de estabilidad y erosión de taludes (Fuente: tomado de Geori & Stathakapoulos (2006)

La dificultad asociada a la cuantificación de los efectos de la vegetación sobre la estabilidad de taludes, surge debido a la conjunción de tres aspectos:

 

  1. La complejidad de los fenómenos implicados en la interacción vegetación-terreno.
  2. La relativa escasez de datos experimentales sistemáticos.
  3. Las limitaciones de las herramientas de modelización.

 

Sin embargo, como se verá más adelante, actualmente se encuentra en desarrollo un importante esfuerzo en investigación y desarrollo en bioingeniería aplicada a la Geotecnia, como parte de las acciones enfocadas en minimizar los efectos del cambio climático.

Interacción terreno-vegetación en problemas de estabilidad de taludes

Algo importante a tomar en cuenta en relación con la aplicación de soluciones de bioingeniería, es que los efectos beneficiosos de la vegetación en la estabilidad de los taludes ante deslizamientos superficiales, se desarrollan gradualmente a lo largo de un período de tiempo, a través de complejos mecanismos de interacción entre las raíces y el terreno. Estos mecanismos asociados a dichos efectos están bien identificados a nivel conceptual, tal como señalan Wu et al (2015):

 

  • Las raíces de las plantas actúan como refuerzo mecánico, aportando una resistencia a la tracción que está ausente en la mayoría de los suelos y que, a medida que las mismas interceptan superficies potenciales de deslizamiento/corte, se moviliza a través de una mezcla de mecanismos de flexión y arrancamiento.

 

  • Las raíces modifican la condición hidráulica de los suelos, afectando (y siendo afectadas por) el contenido de agua del suelo, aplicando succión para alimentar la evapotranspiración, y creando condiciones parcialmente saturadas.

 

Adicionalmente, es necesario considerar la geometría y la disposición de las raíces, ya que las raíces más profundas pueden actuar como anclajes si atraviesan la superficie potencial de falla, y como elementos que aportan estabilidad mediante la resistencia en la interfaz suelo-raíces en el caso de raíces laterales, pseudo-paralelas a la superficie de deslizamiento y ancladas a la parte del suelo situada aguas arriba de la grieta de tracción. La Figura 2 muestra esquemáticamente lo anteriormente explicado.

Figura 2 Aporte de las raíces para la estabilidad de taludes ante deslizamientos superficiales: 1) raíces actuando como anclajes; 2) raíces laterales actuando como elementos a tensión anclados aguas arriba de la grieta de tracción (Fuente: modificado de Reubens et al, 2007)

Uno de los aspectos más complejos del problema de la interacción suelo-raíz es que el efecto de refuerzo mecánico y el efecto hidráulico, mediado por la succión, interactúan entre sí. Otra dificultad asociada a la modelización de la interacción suelo-raíz, es la complejidad geométrica y variabilidad de las arquitecturas de las raíces. Dicha variabilidad complica seriamente los enfoques puramente empíricos, basados en la recopilación experimental de datos sistemáticos y en la identificación de los factores relevantes.

 

Desde el punto de vista práctico, existen adaptaciones de algunos procedimientos tradicionales empleados para analizar la estabilidad de taludes, a fin de considerar el efecto beneficioso de las raíces (ver, por ejemplo, Reubens et al, 2007; Wu et al, 2015). Adicionalmente, pueden emplearse métodos más complejos, basados en elementos finitos, que permiten analizar el problema considerando variaciones en las condiciones hidráulicas (ver, por ejemplo, Liang et al, 2015).

Figura 3 Metodologías de análisis para considerar el efecto de las raíces en análisis de estabilidad de taludes (Fuente: modificado de Knapett, 2018).

Investigación sobre bioingeniería aplicada a la estabilidad de taludes

Existe un consenso abrumador entre los científicos sobre el hecho de que el calentamiento global inducido por el hombre ha causado profundas alteraciones en los ecosistemas naturales y humanos.

 

En ese contexto, y a fin de minimizar dichas alteraciones, la simulación computacional se considera actualmente clave para acelerar la investigación sobre la interacción de las raíces y el suelo, ya que permite generalizar los hallazgos de la investigación empírica a través de modelos virtuales en los que se puedan modificar, de forma sistemática y controlada, las numerosas variables que están presentes en el campo (Stubbs et al, 2019).

 

Sin embargo, es importante destacar que, a fin de validar los modelos virtuales, es necesario contrastarlos con resultados de experimentos físicos. En ese sentido, a la fecha se han desarrollado algunas investigaciones en laboratorio, incluyendo el empleo de la centrífuga (Liang et al, 2020; Sonnenberg et al, 2012; Zhang et al, 2020), la realización de modelos 1-g (Zhang et al, 2020), y el análisis del comportamiento hidromecánico del suelo enraizado en condiciones parcialmente saturadas (Fraccica et al, 2022).

 

En general, estas investigaciones reportan el efecto beneficioso de las raíces en la estabilidad de taludes, mediante el aporte de resistencia adicional al terreno. Sin embargo, a excepción de la mencionada investigación de Fraccica et al (2022), en la literatura revisada no se reportan estudios de laboratorio que contemplen condiciones parcialmente saturadas, las cuales modifican significativamente las propiedades fundamentales de ingeniería de los suelos (Gens, 2010), afectando de esta manera el comportamiento de la interface suelo-raíz.

 

A fin de complementar estas investigaciones, actualmente se encuentra en desarrollo un gran esfuerzo de investigación en las mejores universidades del mundo, en aras de establecer un marco de referencia para la aplicación formal de la bioingeniería en los proyectos civiles.

Referencias

  • Geori & Stathakapoulos (2006) “Bioengineering techniques for soil erosion protection and slope stabilization”. Disponible en https://www.researchgate.net/
  • Norris, J. E., Stokes, A., Mickovski, S. B., Cammeraat, E., van Beek, R., Nicoll, B. C., & Achim, A. (Eds.). (2008) “Slope Stability and Erosion Control: Ecotechnological Solutions”. Springer Netherlands.
  • Reubens et al (2007) “The role of fine and coarse roots in shallow slope stability and soil erosion control with a focus on root system architecture: a review”. Trees (2007) 21:385–402 DOI 10.1007/s00468-007-0132-4
  • Richards, I. G., & Coppin, N. J. (Eds.). (2007) “Use of vegetation in Civil Engineering”. (Reprinted 2007). CIRIA.
  • Wu, W., Switala, B. M., Acharya, M. S., Tamagnini, R., Auer, M., Graf, F., te Kamp, L., & Xiang, W. (2015) “Effect of Vegetation on Stability of Soil Slopes: Numerical Aspect”. En W. Wu (Ed.), Recent Advances in Modeling Landslides and Debris Flows (pp. 163-177). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-319-11053-0_15

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