Presentacin de PowerPoint

Efecto Del AguaDaniel J. Mogollon R.Jairet Araujo. Yilber A. Briceo C.

. EFECTO DEL AGUA SOBRE EL SUELO

El agua es el factor que ms comnmente es asociada con las fallas de los taludes, debido a que la mayora de los deslizamientos ocurren despus de lluvias fuertes o durante perodos lluviosos; de igual forma el control del agua subterrnea es uno de los sistemas ms efectivos para la estabilizacin de los deslizamientos.El anlisis hidrolgico es uno de los trabajos previos ms importantes en el anlisis de estabilidad de taludes. La hidrologa no es una ciencia exacta y es posible que se obtengan resultados muy diferentes de acuerdo con el mtodo que se utilice para el clculo y la metodologa de manejo de la informacin; por lo tanto, se debe tener un criterio muy claro de los fenmenos para interpretar la informacin hidrolgica.

Fuentes y ciclo del agua subterrnea en un talud

Entre los factores que afectan el comportamiento de los taludes (relacionados con la presencia del agua) se encuentran los siguientes:

LubricacinAblandamientoPresiones de PorosTensiones CapilaresSubpresionesFatiga por Fluctuaciones del Nivel FreticoLavado de CementantesAumento de Densidad

Fuerzas Hidrulicas InternasColapsoGrietas por DesecacinInteraccin QumicaDispersinErosin

Lubricacin

Ocurre principalmente a lo largo de fracturas o planos de estratificacin en rocas o suelos estratificados Reduce la resistencia y la friccin a lo largo de las discontinuidades. Es muy importante en los suelos sub-superficiales Tiene menor importancia en la parte interna de la masa de suelo, donde la presin de poros es el efecto fundamental.

AblandamientoSe manifiesta principalmente en los materiales de relleno en fracturas y planos de falla en rocas. El material de relleno puede tener un efecto de debilitamiento debido al aumento de contenido de agua.Puede cambiar el material del estado slido al plstico y an, al estado lquido. Reduce la resistencia al cortante y especialmente la cohesin.

Presiones de PorosEl agua subterrnea (o agua fretica) ejerce presiones de poros sobre las partculas de suelo, disminuye la presin efectiva y la resistencia al cortante.La presin de poros dentro del suelo, depende de la localizacin de los niveles freticos, de las presiones internas de los acuferos y de las caractersticas geolgicas del sitio.La presin de poros es mayor hacia adentro del talud y menor cerca de la superficie Los incrementos de presin pueden ocurrir rpidamente en el momento de una lluvia, (dependiendo de la intensidad y su infiltracin)Si no hay flujo de agua, la presin es hidrosttica y la medida de la presin de poros se hace piezmetros pero si existe flujo, las presiones no son hidrostticas, entonces la presin de poros en cualquier punto puede analizarse por medio de las redes de flujoCuando existe drenaje, la presin de poros disminuye hacia la superficie del talud pero cuando el drenaje es deficiente, se puede presentar un aumento importante de la presin de poros en el pie del talud Las discontinuidades generan diferencias de conductividad hidrulica (permeabilidad), las cuales controlan el sistema de presiones dentro del talud.La presencia de fracturas permite la ocurrencia de presiones muy altas con muy poca infiltracin de agua.

Presiones de poros sobre una superficie de falla potencial para diferentes condiciones de drenaje (LemboFazio y Ribacchi 1990).Tensiones CapilaresCuando el suelo se encuentra parcialmente saturado se produce una succin en el agua por las partculas de suelo, la cual aumenta los esfuerzos efectivos entre las partculas. Al saturarse un suelo, se disminuyen las tensiones capilares o presiones negativas, y en consecuencia, se disminuye la resistencia del suelo. Es despus de los eventos de lluvia que ocurren comnmente los deslizamientos, cuando las tensiones capilares disminuyen o desaparecen.

Cuando el suelo se encuentra parcialmentesaturado se produce una succin en el agua, la cualaumenta los esfuerzos efectivos entre las partculas.

SubpresionesEl agua subterrnea confinada acta como subpresin sobre las capas impermeables. Estos esfuerzos de levantamiento, pueden inducir a deformaciones o rotura de los materiales y las presiones de poros disminuyen la resistencia de los suelos.

Fatiga por Fluctuaciones del Nivel FreticoSe produce un descenso de la envolvente de falla o disminucin en el intercepto cohesin. El modo de falla es el de una disminucin del esfuerzo efectivo, debido a un aumento de la presin de poros. Este fenmeno puede clasificarse como un fenmeno de deterioro de las propiedades del suelo por el ascenso y descenso de los niveles freticos y es muy comn en los taludes de las orillas de los ros.

Lavado de CementantesSe produce un lavado de finos. El agua subterrnea puede sacar del talud, los cementantes solubles y as debilitar los vnculos granulares y en consecuencia decrece, la cohesin y el coeficiente de friccin interna. Este proceso generalmente es progresivo. Los suelos residuales poseen una gran susceptibilidad a lavado de finos.

Aumento de DensidadLa presencia de humedad aumenta la densidad o peso de los materiales del suelo. Al aumentar el peso, se aumentan los esfuerzos de cortante y se disminuye el factor de seguridad de los deslizamientos.

Fuerzas Hidrulicas InternasEl movimiento de las corrientes de agua subterrnea ejerce presin hidrodinmica sobre el suelo en la direccin del flujo. Utilizando el mtodo del gradiente hidrulico, se puede determinar la fuerza de la corriente en la red de flujo. Esta fuerza acta como un elemento desestabilizante sobre la masa del suelo y puede disminuir en forma apreciable, el factor de seguridad del talud. La fuerza hidrodinmica puede adems, ocasionar el movimiento de las partculas y la destruccin de la masa de suelo (tubificacin).

Colapso

Grietas por DesecacinLos cambios de humedad pueden producir agrietamiento

Interaccin QumicaProcesos de intercambio inico, disolucin, hidratacin, hidrlisis, corrosin, oxidacin, reduccin y precipitacin (ataque por cidos), cambian la composicin mineral de las rocas o suelos afectando sus propiedades mecnicas y al mismo tiempo, alteran la composicin qumica y la agresividad del agua subterrnea.

DispersinAlgunos suelos arcillosos se dispersan y pierden su cohesin al saturarse. El resultado puede ser el colapso total de la estructura del suelo y la activacin de deslizamientos. Las arcillas dispersivas tienen una preponderancia de iones de Na, mientras que en las no-dispersivas predominan los cationes de Ca y Mg.

ErosinEl desprendimiento, arrastre y depositacin de las partculas de suelo por accin del agua, modifica el relieve y los esfuerzos que pueden producir la activacin de un deslizamiento. Entre los tipos de erosin se indican los siguientes:Erosin laminar en surcos y en crcavas. Erosin interna. Erosin y deslizamiento en las orillas de las corrientes. Erosin por exfiltracin.

Erosin por afloramiento de aguasubterrnea

LA INFILTRACINEl agua lluvia al caer sobre el suelo, trata de infiltrarse, desplazando el agua existente hacia abajo por los macro poros y formando una especie de onda de presin de agua dentro del suelo, la cual produce un frente hmedo de infiltracin. El porcentaje de infiltracin corresponde a la proporcin de lluvia que se infiltra. La infiltracin a su vez, puede dividirse entre aquella parte que contribuye a aumentar el contenido de agua de la zona no saturada y aquella que recarga el sistema saturado de agua subterrneaAl inicio de la lluvia la totalidad de la precipitacin se infiltra humedeciendo el suelo. La humedad en el suelo, antes de la lluvia, es determinante en la cantidad de infiltracin porque al llover, el agua trata de penetrar al suelo humedecindolo y creando una capa delgada de saturacin; y hasta que sta capa no haya llegado a un punto de equilibrio, no se forman una escorrenta y una corriente de infiltracin. El equilibrio se logra cuando todo el perfil est transmitiendo agua a la mxima rata permitida por la parte menos permeable de los horizontes. Ecuaciones Bsicas de la InfiltracinEcuacin de Green y Ampt (1911) En esta ecuacin se describe la infiltracin por lluvia permanente en un suelo no-saturado. El modelo de dos capas asume que un frente hmedo percola hacia abajo formando un nivel saturado colgado.

Aplicando la Ley de Darcy se obtiene:

Donde: i = Capacidad de infiltracin. Ks = Coeficiente de permeabilidad saturada. Z = Profundidad del frente saturado. H = Profundidad de agua encharcada. = Cabeza de succin en el frente saturado.

Modelo de MeinLarson (1973).En este modelo al inicio del evento de lluvia, se presenta una succin inicialmente alta con una gran capacidad de infiltracin, la cual puede exceder a la intensidad de la lluvia. Al continuar la lluvia, la succin disminuye y la capacidad de infiltracin se reduce.

Mein y Larson (1973) consideraron tres casos: Caso A: La intensidad de la lluvia (Ri ) es menor que la permeabilidad saturada del suelo (Ks). La rata de infiltracin es constante durante toda la lluvia. Caso B y C: La intensidad de la lluvia (Ri ) es mayor que la permeabilidad saturada del suelo (Ks). Al inicio, la capacidad de infiltracin excede a (Ri ) y luego disminuye. El tiempo Tp depende de la intensidad de la lluvia. Caso D: La intensidad de la lluvia es superior a la capacidad de infiltracin inicial. El modelo de Mein y Larson no tiene en cuenta que an cuando Ri es menor que Ks, se produce escorrenta (Xue y Gavin, 2008).Modelo de Horton (Jury y Horton 2004). Jury y Horton (2004) presentaron una expresin emprica para describir la disminucin de la capacidad de infiltracin con el tiempo.

Mtodo de Xue y Gavin (2008). Este mtodo es una variable de la propuesta de Horton (Figura 6.26). Con algunas modificaciones, segn Xue y Gavin la variacin de la capacidad de infiltracin est dada por la ecuacin:

Donde los factores son iguales a los indicados para los mtodos de Horton y de Mein y Larson.

Capacidad de InfiltracinLas capacidades de infiltracin varan desde dos milmetros por hora, en suelos muy impermeables a dos mil quinientos milmetros por hora, en suelos muy permeables dependiendo de la cobertura vegetal, pendiente, textura del suelo, humedad natural y prcticas de agricultura. Los suelos ms permeables como las gravas y arenas, poseen una capacidad mayor de infiltracin. Las gravas y arenas son mucho ms permeables que las arcillas.Condiciones de Frontera Para laInfiltracinLa lluvia sobre la superficie de la tierra puede conducir a dos condiciones diferentes de frontera:

Superficie del talud inundada.Infiltracin controlada.

Superficie del talud inundada.La intensidad de la lluvia, en este caso, es mayor que la cantidad de agua que puede infiltrarse dentro de la tierra. Por lo tanto, solamente parte de la lluvia se infiltra y el resto se convierte en escorrenta. En este caso, la condicin de frontera es que la succin en la superficie del terreno es igual a 0, equivalente a la saturacin del 100%.Infiltracin controlada.La intensidad de la lluvia es menor que el flujo mximo de agua que se puede infiltrar en el talud. En este caso, la infiltracin es controlada por la intensidad de la lluvia:

Qinfiltracin = Intensidad de la lluvia.Factores que Afectan la InfiltracinLa cantidad de agua que penetra o se infiltra en la tierra queda determinada por varios factores: Cantidad, intensidad y tipo de precipitacin. Ritmo de precipitacin. Cuanto ms rpidamente cae la lluvia, menos agua penetra, pues se satura la superficie del terreno y no permite la infiltracin rpida. Entre ms lenta es la lluvia, habr ms infiltracin y menos escorrenta. Pendiente superficial. La infiltracin es mayor en los terrenos ms planos a los que corresponden velocidades menores de escurrimiento superficial. La conductividad hidrulica (permeabilidad) de los suelos y las rocas. La estructura de suelos y rocas. Especialmente en lo que se refiere a fracturacin, estratigrafa y la secuencia de los estratos permeables e impermeables.EL NIVEL FRETICOLa localizacin del nivel fretico corresponde a la lnea de presin de poros igual a cero, lo cual equivale a que la presin neta en el sitio, es igual a la presin atmosfrica. El nivel de agua determina los niveles de presiones hidrostticas sobre una superficie localizada por debajo de ese nivel o los valores de presin negativa o de succin para el suelo por encima. En los taludes naturales de laderas, la lnea de nivel fretico general sigue una lnea aproximadamente paralela a la superficie del terreno y sta sube por el recargue debido a la infiltracin. El agua subsuperficial puede dividirse entre zonas de presin de poros positiva y negativa.FLUJO DE AGUA SUBTERRNEAEl agua infiltrada por las lluvias penetra en el suelo, en forma semivertical, hasta encontrar un manto de alta conductividad hidrulica (permeabilidad) que facilita la formacin de una corriente, o uno semi-impermeable, que impide su paso y obliga a la formacin de una corriente de agua paralela a la superficie de baja conductividad hidrulica (permeabilidad). Estas corrientes subterrneas pueden ser temporales o permanentes.La Humedad SuperficialLa humedad de la superficie del terreno define factores tales como los porcentajes de escorrenta e infiltracin y en algunas ocasiones, el comportamiento de los taludes. En trminos generales, los factores ambientales y fsicos que determinan el comportamiento de la infiltracin dependen en buena parte de los 40 centmetros de suelo ms superficial (Bilz, 1995). La humedad superficial est controlada por: Caractersticas topogrficas de la pendiente de los taludes. Tipo de suelo. Caractersticas climticas. Vegetacin.

El Flujo SaturadoLa infiltracin unida a los fenmenos de transporte interno de agua produce un rgimen de aguas subterrneas. La conduccin interna del agua puede darse a travs de una formacin permeable o a travs de juntas o fallas. El flujo de agua subterrnea generalmente es muy lento y laminar; sin embargo, el flujo turbulento puede ocurrir dentro de conductos internos de gran tamao o porosidades muy altas como es el caso de las cavernas en calizas o en gravas muy porosas. En el flujo laminar, el movimiento de agua junto a las partculas o paredes de los intersticios posiblemente es quieto por la atraccin molecular. El agua, a cierta distancia de las paredes, tiene un patrn trenzado de acuerdo con las caractersticas de los vacos.

Distribucin de presiones de agua para varias condiciones diferentes de fronteras impermeables y permeables

Modelo conceptual del flujo y de las presiones de poros en un talud de suelos residuales de granitos en Hong Kong

FLUJO NO SATURADOAl infiltrarse el agua, se forma inicialmente, un frente hmedo que avanza aproximadamente paralelo a la superficie del terreno, a una velocidad que depende de la permeabilidad, del grado de saturacin y de la porosidad del material Este frente hmedo puede alcanzar una superficie crtica en pocas horas, dependiendo de la fracturacin y el grado de meteorizacin.

La principal diferencia entre el flujo de agua saturado y no saturado, es que en los suelos saturados se supone que el coeficiente de permeabilidad es constante, pero en los suelos no-saturados, el coeficiente de permeabilidad es una funcin del contenido de agua o de la presin de poros. Adems, en los suelos saturados, la presin de poros es positiva y en los suelos no-saturados, es negativa.En el flujo no-saturado, la permeabilidad depende del contenido de agua en el suelo o la succin matricial. Generalmente, se asume que el agua fluye a lo largo de una red de conductos interconectados. A medida que el contenido de agua aumenta, el nmero de conductos aumenta y se mejora la habilidad del suelo para conducir el agua. La permeabilidad alcanza un valor mximo cuando el suelo se satura totalmente.

Avance del Frente HmedoSatura los suelos a su paso, eliminando la succin o cohesin aparente que produca el estado de no-saturacin.El frente hmedo desciende verticalmente, bajo la influencia de la fuerza de gravedad, an despus de terminada la lluvia, hasta que encuentre el nivel fretico o un manto impermeable. La llegada de un frente hmedo produce un ascenso en el nivel fretico.En temporadas con muchos eventos lluviosos, los espesores del frente hmedo tienden a ser mayores.

Factores que Afectan el Comportamiento de los Suelos No-saturados

Caractersticas del sistema de lluvias. El tamao, forma y distribucin de los granos. Meteorizacin y tiempo. Temperatura, viento y factores climticos.Evapotranspiracin, vegetacin.Densidad.Conductividad hidrulica (permeabilidad).

COMPORTAMIENTO DEL SUELO NO SATURADO Presiones de Poros NegativasLas fuerzas resultantes de los efectos de tensin superficial son de tensin en el agua y generan presiones de poros negativas (menores que la presin atmosfrica); esa tensin aumenta cuando el grado de saturacin disminuye En la zona de saturacin parcial, sobre la altura capilar del suelo, tambin existe agua vaporizada y la tensin de vapor disminuye cuando la temperatura disminuye.

La SuccinEst compuesta de dos elementos bsicos: la succin matricial y la succin osmtica. La suma de los dos componentes se llama succin total. La succin matricial se define como la diferencia entre la presin del aire y la presin de poros, y la succin osmtica depende de las caractersticas qumicas del fluido en los poros. La succin o tensin capilar disminuye al aumentar el espesor de la pelcula de agua, alrededor de las partculas de suelo En un material granular libre de sales, la succin total y la succin matricial son iguales, en cambio si aparecen sales disueltas, la succin osmtica puede alcanzar valores significativos.

La medicin de la succin puede realizarse de varias formas: Psicmetro. El Papel de Filtro. Bloques Porosos. Sensores de conductividad trmica. Placas de succin y placas de presin. Tensimetro.

COMPORTAMIENTO DE LOS TALUDES A LA ACCION DEL AGUAComportamiento de los Suelos Arcillosos Blandos

Estabilidad durante el llenadoEl primer llenado de la presa es un tiempo crtico para la seguridad de los taludes. Pueden aparecer problemas, debido a varios factores: Resistencia al cortante, presin de poros en la estabilidad de taludes. Fractura hidrulica, erosin interna y tubificacin.

Comportamiento de Presas de Tierra.Al llenar el embalse, la presin de poros aumenta, desaparecen las presiones negativas y el factor de seguridad disminuye.

Desembalse y abatimiento rpido

Las fallas por desembalse rpido ocurren cuando la presin de poros no ha tenido suficiente tiempo para disiparse y por lo tanto, se reduce la resistencia al cortante en forma rpida.El agua en una represa, acta en cierto grado como una presin de estabilizacin contra la pared del talud y en el caso de que sea removida repentinamente, se generan fuerzas actuantes importantes y al mismo tiempo se disminuye la resistencia al cortante.Si el material es muy permeable, no se presenta presin de poros, pero si el material presenta una conductividad hidrulica (permeabilidad) baja a media, se requiere tener en cuenta la presin debida al desembalse rpido.

DesbordeEl mecanismo de falla, en este caso, es combinado entre saturacin por infiltracin en los taludes, aguas abajo, de la presa y erosin superficial. El agua que pasa por encima del dique se infiltra y produce humedecimiento. Este problema es grave especialmente, en los diques de arena que pueden saturarse rpidamente, en perodos cortos de tiempo. En ocasiones, se coloca una cobertura de arcilla para minimizar la infiltracin, pero la meteorizacin y el agrietamiento de esta arcilla, pueden minimizar su efecto.

Colapso por saturacinLos rellenos compactados en estado seco a densidades bajas o materiales no compactados, sufren una reduccin drstica en el volumen, cuando se aumenta el contenido de agua (Fry y otros, 1995). Este fenmeno se denomina asentamiento por colapso, porque se asocia al colapso de la estructura del suelo. El fenmeno no puede ser explicado por una estricta aplicacin de esfuerzos efectivos, aunque, la eliminacin de las presiones negativas juega un papel muy importante en el fenmeno del colapso.

Fallas por erosin

Las fallas por erosin en presas de tierra, son comunes tanto en los embalses en los cuales se produce oleaje, como en los diques laterales de proteccin de riveras, donde la velocidad del agua en la corriente puede ser superior a la velocidad mxima que resiste un suelo sin producirse erosin.

La tubificacin

La tubificacin o erosin interna por flujo de agua puede generar cavernas o zonas internas de debilidad, que pueden producir fallas catastrficas. El potencial de tubificacin depende del gradiente hidrulico del flujo de agua subterrnea y es causado por la diferencia de altura de agua entre aguas arriba y abajo de la presa.

TIEMPO DE RESPUESTAExiste un tiempo de respuesta o de demora entre la ocurrencia de la lluvia y la iniciacin de un deslizamiento (Figura 6.72). De acuerdo con las caractersticas del perfil del suelo, la topografa del terreno y las caractersticas de las lluvias, los deslizamientos pueden ser de respuesta rpida a lenta.Deslizamientos de respuesta lentaDeslizamientos de respuesta lenta Los perodos lluviosos de gran duracin, los cuales son muy comunes en los ambientes tropicales, son con frecuencia los responsables de los ascensos de los niveles freticos y el desarrollo de presiones de poros positivas, las cuales pueden activar deslizamientos