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Deslizamientos en carreteras de montana: propuesta de calculo del bloque deslizante.

Landslides on mountain roads: a calculation proposal of the sliding block

1. INTRODUCCION

Al ser Costa Rica un pais montanoso, muchas de sus principales carreteras atraviesan topografias en las que predominan laderas de altas pendientes, lo que hace que continuamente ocurran deslizamientos que tienen grandes consecuencias, pues en muchos de los casos se deben hacer cierres de larga duracion para poder limpiar las vias del material producto de ellas.

Con el fin de contar con una herramienta, con la que de una manera rapida, se pueda determinar mediante el calculo de un Factor de Seguridad, la probabilidad de que determinado talud produzca un deslizamiento, se propone el metodo pseudo estatico que se detalla en este documento; tomando en cuenta variables como pendiente, porcentaje de humedad, cohesion del suelo, peso del suelo, peso de la cobertura vegetal y la profundidad de la capa susceptible a deslizarse.

2. METEORIZACION

La propuesta hecha en este articulo basa en gran parte su sustento, en que una gran cantidad de carreteras costarricenses atraviesan formaciones montanosas, en las que la meteorizacion hace que se forme una capa de suelo recubierta por una cobertura vegetal. De acuerdo con el Capitulo 12, "Meteorizacion y suelos", del libro de Juan Maria Montero Olarte geologia, Universidad Nacional de Colombia (2003), se tiene lo siguiente:

Segun una antigua concepcion agronomica, en el suelo residual se reconocen tres horizontes: HORIZONTE A, donde las particulas disueltas en el proceso de descomposicion, son removidas por las aguas de percolacion hacia la parte inferior del perfil (lixiviacion). Se denomina Horizonte Eluvial y es generalmente poroso. En la parte superior de este horizonte se concentra la materia organica donde se desarrolla la vegetacion. HORIZONTE B, en el cual se acumula el material eluviado de la parte superior (Horizonte lluvial); se caracteriza por ser algo cementado como consecuencia del efecto aglutinante del hierro y el aluminio removido en estado de solucion o suspension desde el horizonte superior. Debajo se situa el HORIZONTE C, que corresponde a la Roca Madre, es decir, la roca parental. Basadas todas ellas en el concepto agronomico descrito. (p. 263, 2003).

Como se puede inferir, en este caso los deslizamientos de las carreteras de montana se producen cuando el componente del peso de la capa de suelo, (horizonte A), la hace deslizarse por ser mayor que su resistencia al esfuerzo cortante, que se produce entre la capa dura y la capa meteorizada, (horizontes A y B), ayudada por una alta pluviosidad que hace que la capa superficial se sature.

3. COHESION RESIDUAL

La cobertura vegetal genera un peso adicional al peso del suelo, lo que induce a pensar que esto estaria haciendo que el talud del cual es parte, sea mas propenso a deslizamientos. Por otro lado, hay que mencionar que las raices de la vegetacion dentro del suelo, producen una resistencia al corte que muchos investigadores relacionan a la mecanica de ruptura del suelo, como un incremento a la cohesion del mismo, al oponer resistencia al movimiento de traslacion del bloque de suelo sobre la superficie de ruptura que se forma en el limite entre esta y la capa dura debajo de ella.

4. PESO DEL BLOQUE

El peso de la masa del bloque esta constituido por el peso del suelo y el de la cubierta vegetal sobre este, por lo que se debe de sumar el peso propio del suelo mas el de la capa vegetal:

Pt = Ps + Pv (1)

donde:

Pt peso total del bloque

Ps peso del suelo

Pv peso de la capa vegetal

Ahora bien, haciendo las siguientes relaciones, se llega a obtener el valor de los componentes del peso del suelo que actua en favor del deslizamiento y la resistencia al esfuerzo cortante:

[tau] = Ptx = Pt * seno [beta]

donde:

[tau] Resistencia al esfuerzo cortante del suelo.

Ptx Componente en el eje x del peso total.

Pt Peso total del suelo

[beta] Angulo del bloque deslizante respecto de la horizontal.

N = Pty = Pt * cos [beta] (3)

donde:

N Fuerza normal al plano de deslizamiento.

Pty Componente en el eje y del peso total.

Pt Peso total del suelo

[beta] Angulo del bloque deslizante respecto de la horizontal.

El factor de seguridad estaria dado por:

F = Fuerzas resistentes al movimiento / Fuerzas que propician movimiento (4)

5. FACTOR M

Este factor indica el porcentaje de saturacion del suelo causado por la pluviosidad de la zona, y que esta acotado entre 0 y 1. El 0 indicara una saturacion nula del suelo y 1 una saturacion del 100% del mismo.

6. FUERZAS RESISTENTES AL MOVIMIENTO

Se puede observar de la Figura. No. 2, que la fuerza que se opone al movimiento es la que ofrece la Resistencia al corte, dada por

[tau] = Cu + [sigma] * tg[theta] (5)

donde:

[tau] Resistencia al esfuerzo cortante del suelo.

Cu Cohesion del suelo.

[sigma] Resistencia al esfuerzo normal del suelo.

[theta] Angulo de friccion interna del suelo.

Si tenemos suelos cohesivos, el angulo de friccion interna seria igual a 0, por lo que la resistencia al esfuerzo cortante seria igual al valor de la cohesion:

[tau] = Cu (6)

Ahora bien, numerosos estudios han encontrado que las raices de la cubierta vegetal incrementan la cohesion del suelo, y por ende, la resistencia del mismo al esfuerzo cortante, por lo que este aumento es un valor que se sumaria a la cohesion que el suelo posea, y que se denominara Cohesion aportada por las raices de la cubierta vegetal (Cr), proponiendose la siguiente formula para suelos cohesivos:

[tau] = Cu + Cr (7)

7. FUERZAS QUE PROPICIAN EL MOVIMIENTO

El componente del peso de la masa del suelo que hace que el bloque se deslice, es la fuerza que actua a favor del deslizamiento, y en este caso, si se agrega el porcentaje de saturacion del suelo, como un valor m, 0 < m < 1, permite obtener el peso del suelo como un total del porcentaje humedo y seco que lo componen. Por tanto, pueden modelarse asi las diferentes etapas por las que pasa en suelo, debido al transito de la epoca de lluvias, y la saturacion que sucede producto de las mismas.

Como la propuesta se refiere a un mecanismo de deslizamiento correspondiente al bloque deslizante el cual tiene un volumen, tomaremos una seccion de un metro de ancho por un metro de fondo, quedandonos como una variable a determinar la profundidad (Z), Incorporando el valor de m en la ecuacion anterior, se obtiene:

P1 = ([[gamma]s * Z * m + [gamma] * Z *(l - m)])

donde:

P1 Peso parcial del bloque de suelo deslizante.

[gamma]s Peso del suelo saturado.

[gamma] Peso del suelo.

Z Profundidad del bloque deslizante.

m porcentaje de saturacion del suelo.

Como se puede observar, en la ecuacion anterior no se ha incorporado el peso de la Capa Vegetal como un elemento adicional al peso del bloque deslizante, con lo que el peso total de este quedaria:

Pt = ([[gamma]s * Z * m + [gamma] * Z * (l - m) + Pv])

donde:

Pt Peso total del bloque de suelo deslizante.

[gamma]s Peso del suelo saturado.

[gamma] Peso del suelo.

Z Profundidad del bloque deslizante.

m porcentaje de saturacion del suelo.

Pv Peso de la capa vegetal.

Ahora bien, si se toma la formula (4), en donde se expresa el factor de seguridad F en terminos de las fuerzas actuantes en contra y en pro del movimiento del bloque deslizante en suelos cohesivos, se tendria:

F = [tau] / Ptx (10)

Sustituyendo con formulas (2) y (5), se tendria:

F = Cu + Cr / [[gamma]s * Z * m + [gamma] * Z * (l - m) + Pv] * seno[beta]

8. PROPUESTA DE VALORES PARA LAS VARIABLES

A continuacion, se proponen valores para evaluarlos al introducirlos en las formulas que se proponen en este documento, tomando para ello el caso de los deslizamientos que se dan en la Ruta 32, en el tramo entre el Tunel Zurqui y el cruce de Rio Frio. Lo anterior, a criterio personal, es en donde se dan la mayoria de deslizamientos de esta carretera.

8.1 Peso de la cobertura vegetal

De la Tabla 1: Estratos y fitomasa en Manaus, elaborada por Klinge y Rodriguez (1973), a su vez, tomada del libro: Produccion Forestal para America Latina (Wadsworth, 2000), al existir ausencia en Costa Rica de valores similares, se pueden obtener datos del peso de la cobertura vegetal, de acuerdo con la altura de esta, los cuales se pueden utilizar para estimar el valor de la cobertura mencionada.

Analizando los datos de la Tabla 1, y luego de una comparacion a priori de la altura de la cobertura en el tramo de la carretera de interes, o sea, el que atraviesa el Parque Braulio Carrillo, se propone utilizar una altura del estrato de 8 a 14 metros, siendo el peso de la cobertura que se indica por los autores del estudio de 77 toneladas por hectarea, lo que daria 0,008 toneladas por metro cuadrado.

8.2 Cohesion aportada por las raices de la cubierta vegetal (Cr)

Se han hecho numerosos estudios respecto de este tema, tratando de determinar en todos ellos el valor probable del aumento de la cohesion debido a las raices que la vegetacion de la Capa Vegetal aporta.

En la siguiente figura 3, (Farinas de Alba et al, 2002), el autor presenta los resultados de sus estudios, los cuales concluyen en que la accion de las raices en el suelo, como se puede observar, incrementa la resistencia al corte del mismo, al comparar esta con un suelo sin cubierta vegetal.

Ahora bien, en la siguiente tabla tomada del libro Manual de estabilizacion y revegetacion de taludes (Farinas de Alba et al, 2002), se presentan diferentes valores resultado de la realizacion de estudios sobre el aumento de la cohesion en suelos causada por diferentes tipos de vegetacion.

Como se puede observar, el tipo de vegetacion estudiada no es la que se encuentra en las montanas costarricenses, por lo que se tendra que hacer algun tipo de analogia, si se pretenden utilizar los valores que se indican.

Un valor critico para la cohesion que las raices producen, podria ser el de la cota inferior propuesto por Borroughsy Thomas en 1977, en la Tabla 2, para coniferas en suelos de montana, 3 kN/[m.sup.2], lo que equivaldria a 0.31 ton/[m.sup.2], y a lo que su vez, daria factores de seguridad bajos, pues se incrementaria en poco la totalidad de la cohesion.

En el Grafico 1, presentado a continuacion, la cohesion del suelo usada es de 1 ton/[m.sup.2] (muy blando), la profundidad Z es de 2.00 m, mostrando los resultados para algunos angulos de talud, variando este de 45[grados] a 80[grados] con la vertical, un peso del suelo de 1,60 toneladas por metro cubico y un peso saturado de 1,85 toneladas por metro cubico. Ademas, se puede concluir que para los parametros utilizados, los taludes serian inestables con solo un 10% de saturacion, lo que se podria suponer que es un valor que facilmente se alcanza al inicio de las epocas lluviosas, concluyendose que es un talud con una gran probabilidad de generar un deslizamiento.

A su vez, se puede inferir que el valor de la cohesion del suelo de una tonelada es lo que determina que la resistencia sea baja, y en presencia de humedad, hace que los taludes se desestabilicen, produciendo deslizamientos.

Si se utiliza un valor de cohesion de 2,00 toneladas por metro cuadrado, y las mismas variables mencionadas, en el Grafico 2 se puede notar como la resistencia a los deslizamientos aumenta considerablemente, pues se alcanza un Factor de Seguridad igual a uno con una humedad del 40% para pendientes del talud de 80[grados] con la horizontal. Nuevamente, al analizar los datos es posible deducir que la cohesion del suelo juega un papel protagonico en el desencadenamiento de deslizamientos.

9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

* Para determinar la variable humedad del suelo sera necesario contar con los registros pluviograficos de las estaciones meteorologicas cercanas al punto donde se quiera analizar. El regimen de lluvias es un proceso en constante cambio, tanto en su intensidad como en su periocidad, lo que hace necesario una actualizacion sistematica de los registros de ella.

* Es importante llevar un registro de los eventos de deslizamientos que se sucedan, con datos que podrian ser: coordenadas del lugar, hora, fecha, volumen aparente, dimensiones aparentes, tipo de cobertura, otros a determinar. Todo lo anterior, a traves de un Sistema de Informacion Geografico.

* Se puede verificar, a traves de las formulas propuestas, que tanto la humedad del suelo como la cubierta vegetal, tienen un rol determinante en la estabilidad de los taludes.

* De ser posible, seria importante tener perforaciones que permitan conocer algunas variables tales como: profundidad y ancho de las capas del suelo, tipo de suelo, entre otros.

* De acuerdo a esta propuesta, se deberian de disenar los taludes tomando en cuenta variables como humedad del suelo, cubierta vegetal, geometria adecuada, que permitan tener un grado de confianza aceptable sobre su estabilidad.

* Con el fin de implementar los insumos necesarios para aplicar las formulas, generar estudios que lleven a tener Tablas que muestren diferentes tipos de cubiertas vegetales, pesos promedios y cohesion adicional que puedan aportar, todo esto para nuestro medio.

REFERENCIAS

Craig, R. F. y Knapped, J. A. (2012). Craig's Soil Mechanics. London, Spon Press.

Farinas de Alba, J. L., Gomez Prieto, R., Mataix Gonzalez, C., Garcia Bermudez, P., Llopis Trillo, G., Serrano Pedraza, P. A., y Lopez Jimeno, C. (2002). Manual de estabilizacion y revegetacion de taludes. Madrid, Editorial Graficas Arias Montano, S. A.

Meteorizacion y suelos (s.f.). In notas de Geologia para Ingenieros Civiles y Ambientales. [archivo PDF] Recuperado de http://www.docentes.unal.edu.co/jmmonteroo/docs/12%20 METSUELOS.pdf

Varela, R. (2014). Manual de geologia. Recuperado de http://www.insugeo.org.ar/libros/misc_21/10.htm).

Wadsworth. F. H. (2000). Produccion foresta para America Latina. Recuperado de https://www. fs.fed.us/research/publications/producci%F3n_forestal_para_am%E9rica_tropical/cap.3.pd

ANEXOS

Leyenda: Grafico 3. Factor de seguridad versus porcentaje de saturacion. Cr=0,31 ton/[m.sup.2], Cohesion del suelo 1,5 ton/[m.sup.2]

Leyenda: Grafico No. 4: Factor de seguridad versus porcentaje de saturacion. Cr=0,31 ton/[m.sup.2], Cohesion del suelo 2,0 ton/[m.sup.2]

Leyenda: Grafico 5. Factor de seguridad versus porcentaje de saturacion. Cr=0,31 ton/[m.sup.2], Cohesion del suelo 2,5 ton/[m.sup.2]

Ingeniero Juan Antonio Picado Salvatierra, MSc. Deslizamiento y estabilidad de taludes

Universidad de Costa Rica, San Jose, Costa Rica

juan.picado@ucr.ac.cr

Recibido: 21 de agosto 2018

Aceptado: 26 de setiembre 2018

Leyenda: Figura 1. Modelo del bloque deslizante (Tomado de http://www.insugeo.org.ar/libros/misc_21/10.htm)

Leyenda: Figura 2. Modelo del bloque deslizante

Leyenda: Figura 3. Efecto del reforzamiento radicular en la resistencia al corte del suelo. (Farinas de Alba et al, 2002)

Leyenda: Grafico 1. Factor de seguridad versus porcentaje de saturacion. Cr=0,31 ton/[m.sup.2], Cohesion del suelo 1 ton/[m.sup.2]

Leyenda: Grafico 2. Factor de seguridad versus porcentaje de saturacion. Cr=0,31 ton/[m.sup.2], Cohesion del suelo 2 ton/[m.sup.2].
Tabla 1. Estratos y fitomasa arborea en Manaus, Brasil.

Altura del estrato (m)            Fitomasa fresca

                         Peso medio (t/ha)     Porcentaje

24-35                           190                28
17-26                           400                58
8-14                            77                 11
4-6                             16                  2
2-3                              5                  1
Total                           688                100

Klinge y Rodriguez (1973) en Wadsworth, 2000.

Tabla 2. Valores tipicos del incremento en la cohesion del suelo
debido a la accion de las raices (Farinas de Alba et al, 2002)

Autor                   Suelo / Vegetacion                    Cg
                                                         (kN/[m.sup.2])

Swanston, (1970)        Coniferas de la montana sobre       3,4-4,4
                        morrenas

CTLoughlin, (1974)      Coniferas de montana sobre            1-3
                        morrenas

Endo y Tsurut, (1969)   Alisos de vivero en suelos de        2,-12
                        aluvion

Wu et al., (1970)       Coniferas de montana sobre            5,9
                        morrenas

Waldron et al.,         Pinos de semillero cultivados          5
(1981)                  en maceta sobre suelos
                        arcillosos

CLoughlin y Zemer,      Bosque perennifolio mixto             3,3
(1982)                  sobre suelos someros
                        desarrollados en morreras

Gay y Megaham, (1981)   Coniferas en suelos arenosos          10,3

Riestenberg, Savonick   Arces en suelos de coluvion           5,7
y Dumford, (1983)       arcillosos

Borroughs y Thomas,     Coniferas en suelos de montana       3-17,5
(1977)                  Pastizal sembrado en bloques
                        de hormigon

Barker y Hewlett        rellenos de suelo arcilloso           3-5
                        reforzado con una estructura
                        celular
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Author:Picado Salvatierra, Juan Antonio
Publication:Ingenieria
Date:Jan 1, 2019
Words:2942
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