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An�lisis de la estabilidad del talud de suelo ubicado detr�s de la Urbanizaci�n Valle Alto en la v�a Manta � Portoviejo

 

Analysis of the stability of the soil slope located behind the Valle Alto Urbanization on the Manta � Portoviejo road

 

Analysis of the stability of the soil slope located behind the Valle Alto Urbanization on the Manta � Portoviejo road

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jvelasquez6855@utm.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 13 de marzo de 2024 *Aceptado: 17 de abril de 2024 * Publicado: �20 de mayo de 2024

 

        I.            Departamento de Construcciones Civiles y Arquitectura, Facultad de Ingenier�as y Ciencias Aplicadas, Universidad T�cnica de Manab�, UTM, Portoviejo, Ecuador.

      II.            Departamento de Construcciones Civiles y Arquitectura, Facultad de Ingenier�as y Ciencias Aplicadas, Universidad T�cnica de Manab�, UTM, Portoviejo, Ecuador.

   III.            Departamento de Construcciones Civiles y Arquitectura, Facultad de Ingenier�as y Ciencias Aplicadas, Universidad T�cnica de Manab�, UTM, Portoviejo, Ecuador.

Resumen

La inestabilidad en los taludes es uno de los problemas geol�gicos m�s comunes en Ecuador, generando importantes p�rdidas humanas y econ�micas sobre todo en las temporadas invernales, ya que el incremento de la presi�n de poros reduce la perdida de resistencia del suelo y disminuci�n de resistencia al esfuerzo cortante. Por lo antes expuesto se plantea analizar la estabilidad del talud que est� ubicado detr�s de la Urbanizaci�n Valle Alto en la v�a Manta-Portoviejo-Ecuador. La metodolog�a que se utiliza en la investigaci�n es cuantitativa, debido a que se busca estimar los par�metros geom�tricos del talud en el estudio, utilizando los m�todos experimentales de campo, laboratorio y la determinaci�n de los factores de seguridad por varios m�todos en condiciones est�ticas y pseudost�ticas. Para el desarrollo de la investigaci�n se realizaron dos SPT (Standard Penetration Test) uno en la corona y otro al pie del talud, extrayendo un total de doce muestras, las mismas que fueron ensayadas para conocer las caracter�sticas f�sicas, mec�nicas y par�metros de resistencia que permitieron determinar las condiciones de estabilidad del talud analizado, adicionalmente se realiz� la topograf�a para conocer el perfil del terreno, siendo este indispensable en la modelaci�n para el c�lculo del factor de seguridad.� Al finalizar la investigaci�n se concluye que el talud est� conformado por arcillas inorg�nicas de alta plasticidad y limos de alta plasticidad, en cuanto a la estabilidad en condiciones est�ticas a partir de los cinco m�todos analizados, el talud presenta un F.S mayor a 1 consider�ndolo como estable. Sin embargo, en el an�lisis pseudo-est�tico los m�todos Janbu y Ordinario determinaron valores menores a 1 considerando a este talud inestable y los otros m�todos analizados establecen factores de seguridad igual 1.

Palabras clave: Estabilidad de talud; Par�metros de resistencia; An�lisis Psuedo-estatico; Equilibrio L�mite.

 

Abstract

Instability on slopes is one of the most common geological problems in Ecuador, generating significant human and economic losses, especially in the winter seasons, since the increase in pore pressure reduces the loss of soil resistance and a decrease in resistance to shear strength. Due to the above, it is proposed to analyze the stability of the slope that is located behind the Valle Alto Urbanization on the Manta-Portoviejo-Ecuador road. The methodology used in the research is quantitative, because it seeks to estimate the geometric parameters of the slope in the study, using field and laboratory experimental methods and the determination of safety factors by various methods in static and pseudostatic conditions. To carry out the research, two SPT (Standard Penetration Test) were carried out, one at the crown and the other at the foot of the slope, extracting a total of twelve samples, which were tested to determine the physical and mechanical characteristics and resistance parameters that They allowed determining the stability conditions of the analyzed slope, additionally topography was carried out to know the terrain profile, this being essential in the modeling for the calculation of the safety factor. At the end of the investigation, it is concluded that the slope is made up of inorganic clays of high plasticity and silts of high plasticity. Regarding stability in static conditions based on the five methods analyzed, the slope presents an F.S greater than 1, considering it as stable. However, in the pseudo-static analysis the Janbu and Ordinario methods determined values less than 1 considering this unstable slope and the other methods analyzed establish safety factors equal to 1.

Keywords: Slope stability; Resistance parameters; Psuedo-static analysis; Limit Equilibrium.

 

Resumo

esfor�o cortante. Pelo exposto, prop�e-se analisar a estabilidade do talude que se encontra atr�s da Urbaniza��o Valle Alto na estrada Manta-Portoviejo-Equador. A metodologia utilizada na pesquisa � quantitativa, pois busca estimar os par�metros geom�tricos do talude em estudo, utilizando m�todos experimentais de campo e laborat�rio e a determina��o de fatores de seguran�a por diversos m�todos em condi��es est�ticas e pseudoest�ticas. Para a realiza��o da pesquisa foram realizados dois SPT (Teste de Penetra��o Padr�o), um no topo e outro no sop� da encosta, extraindo um total de doze amostras, que foram testadas para determinar as caracter�sticas f�sicas e mec�nicas e a resist�ncia. par�metros que permitiram determinar as condi��es de estabilidade do talude analisado, adicionalmente foi realizada topografia para conhecer o perfil do terreno, sendo este essencial na modelagem para o c�lculo do fator de seguran�a. Ao final da investiga��o conclui-se que o talude � constitu�do por argilas inorg�nicas de alta plasticidade e siltes de alta plasticidade. Quanto � estabilidade em condi��es est�ticas com base nos cinco m�todos analisados, o talude apresenta um F.S maior que 1, considerando-se. � t�o est�vel. Por�m, na an�lise pseudoest�tica os m�todos Janbu e Ordin�rio determinaram valores menores que 1 considerando esta inclina��o inst�vel e os demais m�todos analisados ​​estabelecem fatores de seguran�a iguais a 1.

Palavras-chave: Estabilidade de taludes; Par�metros de resist�ncia; An�lise pseudoest�tica; Limite de equil�brio.

 

Introducci�n

Los taludes son considerados como superficie inclinada con respecto a la horizontal, que adoptan permanente o provisionalmente las estructuras de tierra. Estos pueden ser artificiales, cuando est�n construidos por el hombre en sus obras de ingenier�a como terrapl�n o desmonte, o naturales como laderas (Sanz, Mati, & Oreego, Estabilidad de Taludes: Conceptos B�sicos, Par�metros de Dise�o y, M�todos de Calculo, 2021). As� mismo, pueden ser de suelos, rocas o mixtos, variando a su vez la metodolog�a de estudio. (Sanz, Mati, & Oreego, Estabilidad de Taludes: Conceptos B�sicos, Par�metros de Dise�o y M�todos de C�lculo, 2020).

Los deslizamientos de suelos se pueden analizar en el contexto del talud afectado y deben ser considerados adem�s como el producto geomorfol�gico y/o ambiental de procesos din�micos relacionados con la evoluci�n del paisaje; en primera instancia los deslizamientos de tierras tienen lugar cuando se desarrolla un balance desfavorable entre la resistencia de los materiales geol�gicos en los que est�n excavadas las vertientes naturales y las fuerzas gravitatorias que tienden a desplazarlas ladera abajo. (Montero, 1901).

La estabilidad de los taludes es importante pues con esta se puede evitar derrumbes de taludes debido a la sobrecarga, da�os en edificaciones por movimientos en el subsuelo y empujes excesivos en muros de contenci�n y da�os en cuerpos de pavimentos por deficiente soporte. (Humberto, 2020).

Es evidente que al pasar del tiempo la relaci�n hombre-medio ambiente ha ido cambiando dr�sticamente (Mac�as et al., 2024). El aumento de la actividad antr�pica buscando un mayor desarrollo econ�mico, ha generado un cambio acelerado en los agentes naturales, provocando que se incremente la vulnerabilidad por riesgos sobre cat�strofes asociados a fen�menos naturales como son inundaciones, remociones de masa, incendios forestales, entre otros. (Hern�ndez, 2016).

En diversos estudios acerca de la estabilidad de los taludes no solo abordan los fen�menos de estado ultimo sino tambi�n los de rotura de masa de suelo. Los agentes externos responsables de la inestabilidad pueden ser el peso y eventualmente los efectos de filtraci�n, a los cuales hay que a�adir otros factores como las sobrecargas. (P�rez, 2005). Dado que el pa�s se encuentra ubicado en el cintur�n de fuego del Pacifico estamos propensos a movimientos s�smicos frecuentes y estos a su vez son factores desencadenantes de los deslizamientos de terreno, por esto es importante su evaluaci�n considerando la carga s�smica que, seg�n se indica en la Norma Ecuatoriana de Construcci�n depender� de la ubicaci�n de la zona de estudio (NEC-SE-DS, 2015).

Seg�n (P�rez, 2005) en el estudio de los taludes y la ingenier�a de los suelos en general, no se tiene la certeza absoluta de los par�metros involucrados. Sin embargo, las propiedades de los suelos y rocas pueden variar dr�sticamente entre un sitio y otro, de manera que establecer valores caracter�sticos de una zona determinada se traduce en problemas. El suelo es una parte fundamental en cualquier obra civil que se lleve a cabo, por lo tanto, es necesario considerar los estudios mec�nicos del suelo para conocer sus propiedades y caracter�sticas, los deslizamientos de taludes ocurren debido a diferentes causas tales como: la lluvia, la falta de vegetaci�n, la actividad humana, entre otros. El problema de la inestabilidad en los taludes que se presenta en la mayor�a de las construcciones en el Ecuador est� en constante aumento y esto genera complicaciones, m�s que todo en las temporadas invernales que hace que los taludes sean m�s (P�rez, 2005).

El m�todo de an�lisis m�s com�n es el m�todo de equilibrio l�mite para calcular la estabilidad de taludes, se utilizan en la pr�ctica debido a su simplicidad y valores de coeficiente. La seguridad que obtienes no est� lejos del verdadero valor, este m�todo establece que el revolucionario ocurre en l�neas que representan superficies defectuosas. De esta manera, se puede entender que el suelo por encima de la l�nea anterior se desplaza en relaci�n con la masa menor. En caso de da�o, la resistencia a cortante a lo largo de la superficie de deslizamiento se moviliza, y toda la Tierra se encuentra en un estado de equilibrio est�tico.

El objetivo del an�lisis de estabilidad de cualquier talud natural o artificial es determinar la falla superficie con el valor m�nimo del factor de seguridad. Es importante identificar los puntos cr�ticos de la superficie de falla para la pendiente especificada para encontrar el factor m�nimo de seguridad. Por lo tanto, en el pasado se han utilizado diferentes m�todos de b�squeda y optimizaci�n. Todos ellos, sin embargo, tienen la misma limitaci�n que es el problema de usar c�lculos manuales (Rodr�guez, 1976). Es posible determinar la superficie cr�tica de falla para una pendiente dada comparando el factor de seguridad de varias superficies de deslizamiento experimentales. En �poca invernal las provincias de la zona costera sobre todo en Manab�, las precipitaciones suelen desestabilizar varios taludes uno de ellos es el que se encuentra en la V�a Manta detr�s de la Urbanizaci�n Valle Alto. La presente investigaci�n tiene como objetivo determinar la estabilidad del talud de suelo ubicado detr�s de la urbanizaci�n Valle Alto en la v�a Manta � Portoviejo, mediante la aplicaci�n de los m�todos de an�lisis est�tico y Pseudo-est�tico con ayuda del programa Geo estudio.

 

Descripci�n del �rea de estudio

El talud sujeto a estudio se encuentra ubicado en Portoviejo, Manab�, Ecuador a una cota de 44 msnm como me ilustra en la Figura 1. Durante el transcurso del a�o, la temperatura generalmente var�a de 21 �C a 29 �C y rara vez baja a menos de 20 �C o sube a m�s de 32 �C. (Weatherspark, 2021). Presenta relieves de valles fluviales, llanuras aluviales costeras y pie de monte occidental, terrazas, llanuras y cuencas deprimidas costeras. Dentro del cant�n se registran cotas ondulada a fuertemente socavada; que van desde los 10 msnm hasta muchos los 700 msnm aproximadamente. Los suelos tienen caracter�sticas de sedimentos, con bosques tropicales y subtropicales secos, constituy�ndose en suelos productores de ceibos, algarrobos, guayac�n, ca�a guadua, palma real, entre otros.

La poblaci�n en Portoviejo seg�n el �ltimo censo (13 de septiembre de 2023) de Poblaci�n y Vivienda es aproximadamente de 322.925 personas (64% urbana y 36% rural), consider�ndose como una zona de elevada densidad poblacional.

Seg�n la Norma Ecuatoriana de la Construcci�n (NEC, 2015) Portoviejo se ubica en la zona VI de la caracterizaci�n de peligrosidad s�smica, considera como alta peligrosidad, con Z=0.50, teniendo un tipo de suelo D siendo en la ubicaci�n del talud investigado.

 

Figura 1: Imagen georreferenciada con el programa ArGis, se�alando el punto de ubicaci�n del talud, coordenadas -1.073460, -80.513086

 

Metodolog�a

Para estructurar, desarrollar y analizar la estabilidad del talud de suelo ubicado detr�s de la Urbanizaci�n Valle Alto en la v�a Manta � Portoviejo, se implement� una investigaci�n cuantitativa, debido a que se determinaron los par�metros geom�tricos de los taludes en el sector, utiliz�ndose los m�todos experimentales de campo y de laboratorio.

Para la obtenci�n del perfil del talud se realiz� una topograf�a en la ubicaci�n que muestra la figura 1, en esta investigaci�n se emple� un dron haciendo uso del modelo DJI phantom 4. Para conocer la composici�n estratigr�fica del suelo se realiz� dos ensayos de SPT (Standard Penetration Test), obteniendo muestras a cada metro que posteriormente fueros analizadas en laboratorio mediante ensayos de l�mite l�quido, l�mite pl�stico, contenido de humedad y la granulometr�a del suelo, esta se realiz� a una distancia de 6 m tanto en la corona y en el pie del talud. Tambi�n se determin� los par�metros de resistencia como cohesi�n y fricci�n con un ensayo de Triaxial UU (no consolidado, no drenado) en el pie del talud y se tom� como referencia los par�metros propuestos por (Mattheus, 2006) para el tipo de suelo MH (limo de alta plasticidad) para el estrato superior que se ubica en la corona del talud.

En base a lo expuesto anteriormente, se hace necesario el uso del software GeoStudio mediante el m�todo de equilibrio l�mite, determinando el FS (factor de seguridad) en estado est�tico y pseudo-est�tico.

Para el c�lculo del FS con las condiciones din�micas, se hace uso de la NEC (2015), donde se calcula el coeficiente de aceleraci�n s�smico horizontal (Kh) mediante la ecuaci�n 1

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Donde:

� coeficiente s�smico horizontal

�aceleraci�n m�xima horizontal o factor de aceleraci�n de espectro de respuesta s�smica

�factor de zona

factor de amplificaci�n o reducci�n din�mica asociado a cada tipo de suelo, estipulado por la norma ecuatoriana de construcci�n, capitulo �Peligro s�smico�.

La zona de estudio es caracterizada s�smicamente con el valor Z, representando la aceleraci�n m�xima de la roca esperada para el terremoto de dise�o, expresada como fracci�n de la aceleraci�n.

La evaluaci�n de la estabilidad del talud en estado est�tico y din�mico fue realizada por el m�todo de equilibrio l�mite, siendo este el m�s utilizado debido a su simplicidad y valores de coeficiente, considerando el an�lisis mediante los m�todos Janbu, Morgenstern-Price, Bishop, Ordinario, Spencer.

 

An�lisis y discusi�n de resultados

A partir del trabajo de campo y laboratorio se procedi� a determinar la estabilidad del talud en estudio. En la figura 2 se ilustras los n�meros de golpes en funci�n de la profundidad analizada, apreciando que los primeros 5 metros de la perforaci�n realizada en el pie del talud presenta una clasificaci�n SUCS, considerada como CH (arcilla inorg�nica de alta plasticidad) y el ultimo metros analizado corresponde a un suelo MH (Limo de alta plasticidad).

Con referencia al SPT 2 realizado en la corona del talud se muestra la profundidad analizada de 6 metros, en el primer metro de perforaci�n se presenta una clasificaci�n SUCS de MH (limo de alta plasticidad), teniendo el restante de 5 metros un material CH (arcilla inorg�nica de alta plasticidad). Como se muestra en la figura 3.

 

Figura 2. Perfil estratigr�fico del sondeo 1,� ��������������������Figura 3. Perfil estratigr�fico del sondeo 2,

e �ndice de Penetraci�n Est�ndar N/30������������������������������������� e �ndice de Penetraci�n Est�ndar N/30

 

Producto del ensayo de Standard Penetraci�n Test se realiz� los 2 perfiles estratigr�ficos que muestra la figura 2 y figura 3, analizando el n�mero de golpes Vs. la profundidad en metros, evidenciando que los primeros 2 metros los n�meros de golpes son inferiores a 25, consider�ndolos como suelos de compacidad baja a media, bajo esta profundidad los estratos tienen un ligero incremento en cuanto al n�mero de golpes que var�a entre 25 y 61 siendo considerados como compacidad media a muy densa.�

En la tabla 1 y tabla 2 se muestran los resultados de los ensayos de laboratorio de los sondeos del ensayo Standard Penetraci�n Test, obtenidos mediante granulometr�as, l�mite de Atterberg y peso espec�fico del material, permitiendo obtener la clasificaci�n SUCS. As� mismo se muestran los resultados del ensayo Triaxial UU realizado al pie del talud, de donde se obtuvo los par�metros de cohesi�n y �ngulo de fricci�n, en el caso del material caracterizado como MH se tom� como referencia los par�metros propuestos por (Mattheus, 2006).

 

Tabla 1: Caracter�sticas f�sicas y mec�nicas del suelo en el sondeo 1

 

Tabla 2: Caracter�sticas f�sicas y mec�nicas del suelo en el sondeo 2

Para determinar la estabilidad del talud considerando la carga s�smica se determina el Kh mediante la ec. 1, para ello es necesario determinar �mediante la ec 2.

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Finalmente, mediante la ec. 1 se obtiene el coeficiente s�smico horizontal empleado para la zona de estudio.

Una vez obtenidos los par�metros entrada para el c�lculo de la estabilidad de taludes, se procedi� hacer la modelaci�n por los m�todos de Janbu, Morgenstern-Price, Bishop, Ordinario, Spencer, mediante las condiciones est�ticas y Pseudost�ticas como se muestra en las figuras 4, 5, 6, 7 y 8.

 

Figura 4: Resultados de An�lisis de Estabilidad M�todo de Janbu.

Fuentes: Gr�ficos obtenidos de software GeoStudio

 

Figura 5: Resultados de An�lisis de Estabilidad M�todo de Morgenstern-Price

Fuentes: Gr�ficos obtenidos de software GeoStudio.

 

Figura 6: Resultados de An�lisis de Estabilidad M�todo de Bishop

Fuentes: Gr�ficos obtenidos de software GeoStudio.

 

Figura 7: Resultados de An�lisis de Estabilidad M�todo de Ordinario

Fuentes: Gr�ficos obtenidos de software GeoStudio.

 

Figura 8: Resultados de An�lisis de Estabilidad M�todo de Spencer

Fuentes: Gr�ficos obtenidos de software GeoStudio.

 

En la tabla 3 se muestran el resumen de valores de FS por diversos m�todos y en diferentes condiciones, obteniendo que con el m�todo de Morgenstern-Price da un factor de seguridad est�tico de 1,73 siendo igual que m�todo de Spencer y en la condici�n� Pseudo-est�tico casi similar por una cent�sima encima de �l, por otra parte tenemos el m�todo de Bishop dio como resultado un factor de seguridad est�tico alto 1,775 y un Psecudo-est�tico de 1,028 por �ltimo se determinaron los factores de seguridad m�s bajo seg�n los m�todos de Janbu y ordinario obteniendo un F.S est�tico de 1,629 y 1,643 respectivamente mostrando una similitud en algunos m�todos. Se puede observar que el modelo de Janbu y Ordinario proporciona los valores de FS m�s bajos por las simplificaciones que el m�todo realiza, mientras que los m�todos restantes utilizados no presentan una variaci�n significativa entre sus resultados.

Respecto al an�lisis Pseudo-est�tico se destaca que, en los m�todos analizados, los factores de seguridad alcanzados mediante Jabu y Ordinario son considerados inestables, mientras que con los m�todos de an�lisis Morgenstem- Price, Spencer y Bishop resultaron ser inestables por presentar un valor de FS menor a la unidad.

 

Tabla 3: Resumen de los Factores de Seguridad obtenidos por diversos m�todos

 

Conclusi�n

En base a la investigaci�n realizada en el talud ubicado detr�s de la urbanizaci�n Valle Alto en la v�a Manta � Portoviejo, se determina que el material que conforma el talud estudiado se clasifica como CH, arcillas inorg�nicas de alta plasticidad y limos inorg�nicos de alta plasticidad (MH).

En cuanto a los valores de factor de seguridad obtenidos, los m�s bajos corresponden a los calculados por los modelos de Janbu y Ordinario, esto se les atribuye a las simplificaciones de an�lisis que estos m�todos utilizan, mientras que mediante los otros m�todos analizados se obtuvieron valores mayores ya que estos cumplen con un an�lisis riguroso en cuanto a las fuerzas que intervienen en el equilibrio total. Sin embargo, la variaci�n entre los cinco m�todos analizados no resulta significativa.

De acuerdo a la teor�a de equilibrio limite se establece que el talud en condiciones est�ticas presenta un F.S mayor a 1 consider�ndolo como estable. Sin embargo, en el an�lisis pseudo-est�tico los m�todos Janbu y Ordinario determinaron valores menores a 1 considerando a este talud inestable y los otros m�todos analizados establecen factores de seguridad igual 1, es decir consideran que el talud se encuentra en equilibrio de fuerzas actuantes y resistentes. Esta condici�n debe de ser considerada ya Portoviejo se ubica en la zona VI de zonificaci�n de peligro s�smico seg�n la NEC (2015), caracterizada como muy alto peligro con un coeficiente de aceleraci�n s�smico horizontal de 0.2352.

 

 

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