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Taludes en materiales residuales: exploración geotécnica y parámetros geomecánicos de diseño
¿Cuáles debe ser los objetivos al realizar la exploración geotécnica para el análisis de taludes en materiales residuales? ¿Qué información mínima debe obtenerse en campo? ¿Qué ensayos de laboratorio deben realizarse para la obtención de parámetros geomecánicos de diseño? ¿Qué criterios aplicar? Estas son algunas de las preguntas que pueden aparecer en proyectos que involucran estabilidad de taludes en materiales residuales. Así que vamos a tratar de ofrecer algunas respuestas…
Contenido
Objetivos de la investigación geotécnica
Cuando se desarrollan proyectos que involucran la estabilidad de taludes en suelos residuales, lo primero que se vislumbra es que la investigación geotécnica de este tipo de materiales empleando los métodos tradicionales (es decir, en base a las herramientas y equipos disponibles en la gran mayoría de las empresas geotécnicas), es un tanto complicada, fundamentalmente por dos razones: A) porque usualmente estos materiales se encuentran parcialmente saturados; y B) porque la geología del talud suele ser compleja.
¿Cuáles deben ser, entonces, los objetivos principales de la investigación geotécnica en estos casos? Básicamente, deben orientarse a la obtención de información sobre:
- Caracterización del perfil de meteorización.
- Localización de las principales estructuras (fallas, diaclasas, estructuras heredadas).
- Determinación de las condiciones del agua subterránea.
- Establecimiento del modo de falla más probable y de los parámetros de resistencia en la superficie de falla.
Es importante considerar que, dada la complejidad del comportamiento geotécnico de los suelos residuales (particularmente en taludes), nunca deben perderse de vista estos objetivos durante la investigación, puesto que los mismos incluyen la información básica necesaria para la adecuada caracterización y comprensión del problema, así como para la estimación de los parámetros geomecánicos requeridos en cualquier modelo del talud que se desarrolle para analizar su comportamiento.
Exploración de campo
La exploración geotécnica de campo usualmente se lleva a cabo a través de dos actividades generales (Amundaray, 1985):
- Una exploración geológica detallada (la cual implica un levantamiento de campo).
- La realización de perforaciones, a fin de confirmar el perfil de meteorización y de recuperar muestras para ensayos de laboratorio especiales.
Figura 1 Objetivos de la investigación geotécnica para análisis de estabilidad de taludes en suelos residuales
Algunos autores recomiendan el empleo de métodos geofísicos (tales como refracción sísmica o resistividad eléctrica, por ejemplo), a partir de los cuales podría evaluarse de manera aproximada el espesor de los suelos residuales, en base a la estimación de la profundidad a la que se encuentra la roca fresca y a los cambios en la densidad del medio que es posible determinar empleando estos métodos. Sin embargo, vale destacar que la Geofísica debe ser aplicada con cautela en estos casos, debido a la difícil interpretación de la data obtenida, que se dificulta significativamente para terrenos inclinados.
Por lo tanto, es más conveniente llevar adelante una exploración geológica detallada, que permita identificar claramente los diferentes horizontes de meteorización. Dicha exploración debe complementarse con perforaciones geotécnicas, de diámetro NX o superior (de manera que pueda determinarse el Rock Quality Designation –RQD- cuando se detecte la roca). Adicionalmente, es recomendable la realización del ensayo SPT (Standard Penetration Test), hasta donde sea posible “en seco”, a fin de tener una idea de la resistencia de los materiales en el perfil de meteorización, así como para detectar la presencia de agua en el subsuelo (Amundaray, 1995).
Un punto siempre complicado es determinar el número de perforaciones a realizar. Como criterio general, el número de sondeos dependerá del grado de heterogeneidad del talud, y en todos los casos deberán alcanzar la roca fresca. Ello implica que las perforaciones deben ejecutarse luego del levantamiento geológico, dado que la ubicación de las mismas debe establecerse en base a la información derivada de dicho levantamiento.
De lo anterior se deduce que, para proyectos que involucren análisis de estabilidad de taludes en suelos residuales, en el equipo de trabajo debe participar un Ingeniero Geólogo, puesto que, a diferencia de otro tipo de proyectos civiles menos complejos, la Geología juega un papel muy importante en estos casos. Este comentario podría resultar obvio, pero se considera pertinente porque, en muchas ocasiones, se subestiman las implicaciones asociadas a análisis de estabilidad de taludes en materiales residuales, y los desarrollan profesionales que no tienen toda la preparación para afrontarlos.
Estimación de parámetros geotécnicos de diseño
Como se mencionó anteriormente, los suelos residuales se encuentran, durante gran parte del año, bajo condiciones de saturación parcial. De acuerdo a esto, lo lógico sería pensar en que deberían aplicarse los principios de la Mecánica de los Suelos Parcialmente Saturados para realizar cualquier análisis que tenga que ver con este tipo de materiales. Y, efectivamente, es así.
Sin embargo, en la práctica existe una desventaja: los laboratorios disponibles en la gran mayoría de las empresas geotécnicas (que pudiéramos llamar “comerciales”, en contraposición a los laboratorios de algunas universidades donde se llevan adelante trabajos de investigación), no poseen los instrumentos para medir succión en muestras de suelo o roca.
Esto es así porque la Mecánica de Suelos tradicional (la que se emplea comúnmente en análisis rutinarios) es la “Mecánica de los Suelos Saturados”, dado que en muchos de los ensayos que se realizan, se agrega agua a la muestra. Incluso es común saturar la muestra para efectuar ensayos de resistencia al corte, debido que el caso saturado es el más desfavorable, en el que se obtendrán los peores parámetros de resistencia y deformación.
De acuerdo a lo anterior, para la gran mayoría de los proyectos, se recomienda llevar a cabo los análisis de estabilidad considerando condiciones saturadas y la mayor altura posible del nivel de agua en el talud (es decir, que el nivel de agua alcanza la superficie). Dado que este caso incluye las condiciones más desfavorables para el talud, el análisis permitirá estimar el factor de seguridad (FS) más bajo y conservador. Así, si en estos análisis se obtiene un FS mayor o igual a 1,5, puede esperarse que el talud analizado se mantenga estable, aún bajo las peores condiciones de lluvia.
Los parámetros de resistencia a utilizar en estos análisis, pueden estimarse mediante la realización de ensayos triaxiales no consolidados no drenados (TX UU), bajo condiciones saturadas. También puede emplearse como alternativa el ensayo de corte directo (CD), más económico y rápido que el TX UU.
Las muestras para realizar estos ensayos se obtienen de las perforaciones, las cuales, como se mencionó anteriormente, deben realizarse con diámetro NX o superior. También es posible, aunque menos usual, extraer muestras de calicatas, o muestras directamente talladas en el talud.
Por otro lado, cabe mencionar que, para la realización de estimaciones preliminares, pueden emplearse correlaciones basadas en información obtenida de taludes en formaciones geológicas similares a las del sitio en estudio. La Figura 2, desarrollada por Schnaid (2005, 2009) es un buen ejemplo de estas correlaciones.
Figura 2 Correlaciones para estimar el ángulo de fricción interna φ y el módulo de corte inicial Go para materiales residuales. Ir = índice de rigidez; G = módulo de corte; c = cohesión; q = esfuerzo vertical¸γ = ángulo de fricción interna (Fuente: Schnaid, 2005-2009. Disponible en https://www.routledgehandbooks.com/doi/10.1201/b12302-3).
Por supuesto, como en cualquier obra de ingeniería, todo dependerá del equilibrio costo-información. Si la importancia de la obra lo amerita, y la realización de análisis tomando en cuenta condiciones parcialmente saturadas pudiera significar un ahorro importante en estabilización, por ejemplo, estos análisis deben llevarse a cabo, en laboratorios especialmente equipados para ello.
En todo caso, el especialista geotécnico recomendará qué es lo idóneo para el proyecto que esté realizando. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, dadas las limitaciones típicas de los equipos de laboratorio disponibles para estudios geotécnicos rutinarios, la determinación de parámetros saturados con el nivel más alto de agua, es el caso más usual en la práctica.
Referencias
- Amundaray, J. (1985) “Landslides and stability in residual soils in tropical climates”. Document CE 695 E. Colorado State University. Fort Collins, USA.
- Huat, B., Toll, D. & Prasad, A. (2012) ,«Handbook of tropical residual soils engineering». Print ISBN: 9780415457316; eBook ISBN: 9780203098325.
