Estabilidad de Terraplenes Sobre Suelos Blandos Mediante El Uso de Columnas de Grava

8/19/2019 Estabilidad de Terraplenes Sobre Suelos Blandos Mediante El Uso de Columnas de Grava

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UNIVERSIDAD ANDRÉS BELLOFACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE OBRAS CIVILES

ESTABILIDAD DE TERRAPLENES SOBRE SUELOS BLANDOS MEDIANTE EL USO

DE COLUMNAS DE GRAVA

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

RICARDO FELIPE OCAMPO MUÑOZ

PROFESOR GUÍA

JUAN CARLOS TIZNADO AITKEN

SANTIAGO DE CHILE

MARZO 2016


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Capítulo I

Estabilidad de terraplenes sobre suelos blandos mediante el uso de columnas de grava

Introducción

Los terraplenes son importantes acumulaciones de tierra adecuadamente depositadas ycompactadas cuyo fin es servir de infraestructura a carreteras en aquellas zonas dondeel terreno existente se encuentra por debajo de la rasante proyectada. u uso en obrasviales es com!n en un país que posee una geografía abrupta como la c"ilena# adem$sde contar con una gama variada de suelos# que muc"as veces dificultan la construcciónde estos terraplenes# como son los suelos blandos.

Los suelos blandos# en la ingeniería Civil# plantean problemas de todo tipo enconstrucciones# ya sean estas vías de comunicación# como carreteras o en lasfundaciones de las edificaciones y obras civiles en general. Estos problemas seocasionan principalmente debido a dos factores% su baja resistencia# la cual est$relacionada a una baja capacidad portante y a su alta deformabilidad# la cual ocasionagrandes asentamientos.

&ebido a lo antes mencionado# estos suelos deben ser analizados y tratadosconvenientemente ya que# caso contrario# es de esperarse que cada construcciónrealizada sobre estos suelos ocasionen situaciones no deseadas a corto y largo plazo.

'or ende# para apoyar terraplenes sobre suelos blandos es de gran importancia realizar un an$lisis de la estabilidad del talud de manera global al momento de considerar unafutura construcción. Conocidos son los casos a nivel nacional e internacional# dedesastres ocurridos y que involucran vidas "umanas cuando no se "an efectuado losan$lisis correspondientes# que dependiendo de sus resultados# permitir$n tomar

medidas correctivas o de estabilización.'or lo general# para asegurar la estabilidad del talud y con esto aumentar el factor deseguridad del talud# parte de las medidas de estabilización que se "an utilizado son lascolumnas de grava# entre otras aplicaciones# como elementos de refuerzo y mejora delterreno bajo terraplenes sobre suelos blandos# con el fin de aumentar su capacidadportante# minimizar los asientos y los tiempos de consolidación.

Este trabajo tiene como objetivo# a partir de diversos casos de estudio# analizar de qu(manera influye considerar la inclusión de las columnas de grava# en la estabilidad delterrapl(n.


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Capitulo II

Estabilización de terraplenes mediante columnas de grava

'roblem$tica asociada a construir sobre suelos finos

Las construcciones viales en general constituyen un desafío constante en el $rea de laingeniería. in ir m$s lejos# la construcción de terraplenes para conectar carreterasexistentes sobre suelos finos suele plantear dificultades de todo tipo# debido a que lossuelos blandos ocasionan problemas# principalmente a razón de su baja resistencia# lacual est$ relacionada a una inestabilidad del talud y su alta deformabilidad# la cualocasiona grandes asentamientos.

La solución de construir terraplenes sobre suelos blandos es entregarle estabilidad por medio de alg!n mejoramiento de suelos. El tratamiento de mejora y refuerzo del suelomediante columnas de grava constituye una alternativa a otras soluciones geot(cnicasm$s tradicionales.

&urante los !ltimos a)os se "an utilizado las columnas de grava# entre otras

aplicaciones# como elementos de refuerzo y mejora de terreno bajo terraplenesapoyados sobre los suelos blandos# con el fin de aumentar su capacidad portante yminimizar los asientos y los tiempos de consolidación. *dem$s entre otras ventajas# eltratamiento mediante columnas de grava proporciona un incremento del factor deseguridad frente al deslizamiento de los taludes.

* continuación#


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Columnas de +rava

,undamentos

Las columnas de grava como sistema de mejora de suelos son una t(cnica utilizadadesde los a)os - en que se inventara el primer vibrador. e basan en la utilización dela vibración profunda en suelos predominantemente co"esivos y que se emplea tantoen obras civiles como en edificación.

El concepto del tratamiento se basa en tomar el terreno original y sus característicasfundamentales /es decir# su $ngulo de rozamiento# su co"esión y su módulo dedeformación0 e incorporarle las columnas de grava /de características conocidas ycontroladas0# de manera que se obtenga un suelo mejorado con sus propiascaracterísticas equivalentes.

Este medio de mejora de suelos se realiza mediante la inclusión de material granular /sin co"esión0 en el terreno en una perforación previamente realizada por un vibrador#

en la que no existe extracción del terreno# sino que las gravas que se introducen en laperforación por pasadas sucesivas# se compactan movilizando el empuje lateral delterreno.

,ig. 1#a0 'rincipio b$sico de formación de columnas de grava b0 2edistribuciónde los esfuerzos aplicados sobre las columnas de grava por la diferencia de rigidezentre las columnas y el suelo original

En este sistema# la diferencia de rigidez entre las columnas y el suelo original provocauna redistribución de los esfuerzos aplicados y una concentración de (stos sobre lascolumnas. *sí# se aumenta la resistencia del conjunto disminuyendo los asentamientosy "aci(ndose m$s uniformes. Las columnas al no ser totalmente rígidas# tienden a tener


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una cierta deformación lateral cuando se aplican cargas# transmitiendo presioneslaterales al suelo que las envuelve# que resiste movilizando su resistencia al corte.

*dem$s de la reducción de asentamientos# las columnas de grava constituyenexcelentes drenes verticales que aceleran la consolidación del suelo bajo la sobrecarga#al favorecer la disipación del exceso de presión intersticial creado en el terrenoco"esivo tratado

Este tratamiento permite alcanzar en mayor o menor medida los siguientes objetivos%

34ejora de la capacidad portante del terreno.

32educción de *sientos

35omogeneización de las características geot(cnicas

3*celeración del proceso de consolidación# constituy(ndose como elementos drenantes/suelos co"esivos saturados0

3*umento de la estabilidad frente al deslizamiento /caso de terraplenes0

3&isminución del riesgo de licuación /arenas flojas0# en zonas sísmicas.

Pr!"#$%$"&'( #" ")"!*!$+&

Las columnas de grava constituyen un sistema de mejora y refuerzo del terreno por vibración profunda que se basan en el desplazamiento lateral del terreno y en laincorporación y compactación de la grava contra terreno.

Las columnas de grava o vibrosustitución surgen a finales de los a)os cincuenta comouna evolución de la t(cnica de vibro compactación sin aporte de grava. La necesidad deaportar material granular a los terrenos co"esivos "izo que se adoptara el mismo

equipo y procedimiento de ejecución que para la vibrocompactación# incluyendo unagr!a# un vibrador# lanza de agua y aporte de la grava desde la superficie. * esteprocedimiento se le suele conocer como 6vía "!meda7.

Los inconvenientes que presentaba el procedimiento en 6vía "!meda7 eran evidentes.La necesidad de un importante y no siempre f$cil aporte de agua y una eficaz retiradade los lodos resultantes requería la creación de una batería de balsas para ladecantación de los lodos y unas zanjas de conexión entre las balsas y los puntos deejecución de las columnas .*simismo# estas balsas y zanjas debían ser constantementere perfiladas y saneadas mediante retroexcavadoras# "idrobombas# cisternas# etc.

'ara subsanar estos inconvenientes# y como evolución del procedimiento en 6vía"!meda7# los equipos actuales "an eliminado la lanza de agua# pasando a denominarse6vía seca7. e sustituye tambi(n la gr!a por una m$quina de orugas específica paracolumnas de grava que permite incrementar el empuje est$tico del conjunto m$quina 8tubo3vibrador y asegurar mejor la verticalidad. *dem$s# la graba deja de empujarsedesde la superficie y se incorpora por el interior del tubo vibrador.

El procedimiento en vía seca /6dry met"od70 y con descarga inferior/6bottom3feed70consiste en aportar la grava mediante una pala cargadora "asta una tolva que# una vezcargada la grava # asciende por el m$stil3guía "asta la c$mara de descarga que se


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encuentra en el extremo superior del conjunto tubo.vibrador. El vibrador se introduce enel terreno !nicamente por vibración radial# desplazando lateralmente el suelo y sinextracción de material. 9na vez que alcanza la profundidad deseada# el vibrador describe una retirada por pasadas ascendentes de entre :cm y 1 m# en la que la gravava ocupando el espacio libre y el vibrador la compacta lateralmente "asta movilizar elempuje pasivo del terreno y llegar a la superficie.

Es esencial tener en cuenta que el di$metro final obtenido depende de lacompresibilidad de cada capa de terreno tratada y que en terrenos m$s 6flojos7 seobtendr$n di$metros m$s elevados y en terrenos m$s duros se obtendr$n menoresdi$metros. * priori solo se puede estimar el di$metro medio que se va a obtener# datoimprescindible para el dimensionamiento# pero en ning!n caso se puede prefijar nilimitar el di$metro a riesgo de que las columnas no tengan la compacidad adecuada.

El procedimiento en vía seca permite# gracias a su m$stil3guía# asegurar por un lado laverticalidad de la columna y por otro aumentar el empuje est$tico del vibrador "astam$s de -: toneladas.

&urante la ejecución en vía seca# la plataforma de trabajo puede ser transitada sinning!n impedimento# a diferencia de la vía "!meda# en cuyo caso la plataforma estaanegada de principio a fin de los trabajos. *l concluir las columnas en vía seca# laplataforma queda pr$cticamente intacta# mientras que en la vía "!meda requiere unconsiderable tratamiento de restitución.


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&ise)o de Columna de +rava

* partir de la sección admitida de la columna y conocida la carga que transmite laestructura# pueden aplicarse m(todos de c$lculo# m$s o menos aproximados# quepermiten estimar la relación de asentamientos antes y despu(s de la mejora# y tambi(ncalcular la capacidad de carga de las columnas.

Los m(todos de dise)o de columnas de grava son m$s complejos que los de mejora desuelos puramente granulares# en los que los criterios son simplemente empíricos. ;o setrata de densificar un terreno m$s o menos "omog(neo# sino de estudiar elcomportamiento de un suelo compuesto por dos materiales netamente distintos. Lasteorías de c$lculo para las columnas de grava varían desde simples reglas

experimentales "asta complicados modelos matem$ticos.

Es difícil modelar la interacción columnas3suelo# y ciertamente no se "a conseguido a!nuna metodología de c$lculo adecuada para explicar el comportamiento de ambosmateriales. *sí# se "ace necesario realizar una serie de "ipótesis que permitan abordar el dise)o de forma sencilla.

* continuación se presentan tres diferentes m(todos de c$lculo de la separación entrepuntos de mejoramiento.

M,'# #" Pr$"-". Este m(todo# aunque contiene algunas limitaciones teóricas por las

"ipótesis que realiza# "a sido ampliamente utilizado con bastante (xito en numerosasocasiones y comprende los criterios de dise)o para los casos m$s frecuentes deaplicación.

u utilidad fundamental es la de estimar la reducción de asentamientos que puedelograrse con las columnas de grava# requiriendo conocer tan solo el $ngulo de ficcióninterna de material de aporte /


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= El suelo natural es desplazado durante la instalación de la columna# lo queimplica que su resistencia inicial corresponde a una ley "idrost$tica# concoeficiente de presión de tierras de empuje al reposo >?1.

'or lo tanto# la columna no se rompe y cualquier asentamiento de $rea cargada serefleja en un abarrilamiento de la columna# el cual se considera constante en toda sulongitud.

&ebe ser recordado que este m(todo de dise)o se refiere al efecto de mejora de lascolumnas de grava en un terreno el cual no es# de alguna manera# modificado encomparación a su estado inicial# es decir# el grado de mejora resulta solamente de laexistencia de estas columnas# sin ninguna densificación del suelo que las envuelve/'riebe# 1@@:0. En un primer paso# se establece un factor por el cual las columnas degrava mejoran el comportamiento del subsuelo en comparación con el estado sincolumnas. &e acuerdo con este factor de mejora el módulo de deformación del sistemacompuesto columnas3suelo aumenta y# en la misma proporción# los asentamientos sereducen. Los pasos sucesivos del dise)o se refieren a este valor b$sico.

La vibrosustitución# permite una evaluación m$s o menos precisa solamente para elcaso definido por un $rea de carga ilimitada sobre una malla de columnas ilimitada/'riebe# 1@@:0. En este caso se considera una celda unitaria de $rea * con una !nicacolumna aislada de sección *c y el suelo circundante correspondiente# es decir# * es el$rea de influencia de la columna y *c el $rea de la sección transversal de (sta.

El resultado del c$lculo se expresa como factor b$sico de mejora n# que expresa larelación entre el asentamiento que se tendría en el terreno original sin mejorar y el quese produce despu(s de la mejora%

n=asentamiento sinmejora

asentamiento conmejora=1+

AC A ∗(

1

2+ f (µS , AC A )

K AC ∗f (µS , AC A )−1) ec1.

&onde%

'orción de $rea tratada ? AC

A ? Area columna BArea de influencia de la columna y#

f (µS , AC A ) =(1−µS )∗(1− AC A )1−2∗µS+

AC A


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omando una relación de 'oisson del suelo natural de Ds?1B-# adecuado en muc"oscasos para el estado del asentamiento final# y sustituyendo# se llega a la expresión%

n=1+ AC

A ∗[ 5−

AC

A

4 K aC (1− AC A )−1] ec2.

&onde%

>aC ? coeficiente de empuje activo del material de la columnas ? tan /F:G3


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,ig.-# 'resión sobre las columnas referida a la media aplicada.

ambi(n# en la ,ig.F se muestra el asentamiento del suelo reforzado como unporcentaje del asiento sin refuerzo. En ambas ,iguras se compara este m(todo de JanImpe et al con otros m(todos.


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,ig.F# *sentamiento delterreno tratado referido al del

terreno sin tratar

M,'# r"(*%"& #"Gr""&8# 9 K$r(!:. Estosautores re!nen varias teoríasque permiten calcular laeficiencia del tratamiento ofactor de mejora n# reflejadasen la ,ig.:.

,ig.:# eoríasusadas parapredicción de

asentamientos encolumnas de grava

/+reenKood y >irsc"#1@F0.


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*simismo# para el estudio delcomportamiento de lascolumnas de grava# adem$sde estimar el asentamientogeneral del terreno# esimportante tambi(n lacapacidad de carga de lascolumnas# debido a la escasaresistencia lateral que suelenpresentar. En la ,ig.M sepueden apreciar diferentesformas de rotura que sepueden dar en las columnasde grava.

,ig.M# 'osibles formas defallas en columnas de

grava% expansión lateral#corte asim(trico# cortesim(tricoN Oteo /1@@P0

+eneralmente se sueleconsiderar la capacidad decarga de una sola columna eignorar el posible efecto de

grupo.

El c$lculo de la presión

admisible σ v se puede

realizar con la expresión%

σ v= N SC (C U F ) ec4.&onde%


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C U ?resistencia al corte sin

drenaje del suelo

F ? factor de seguridad#

entre .: y -

N SC ? coeficiente de

capacidad decarga# : paracolumnas convibrosustitución#seg!n 4itc"ell/1@:0N y de 1 a seg!n la rigidezdel suelo# por QarRsdale y

Qac"us /1@-0

En la ,ig.P se comparan losresultados de diversos autoresy de algunos casos reales#referidos a la capacidad decarga de columna de gravas

instaladas en arcilla.


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,ig.P# Capacidad de carga decolumnas de grava

/+reenKood y >irsc"# 1@F0


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A&;$($( #" "('/-$$#/# #" '/*#

Cuando se "abla de estabilidad de un talud# se trata de encontrar la alturacritica del talud o la carga de colapso aplicada sobre una porción del talud# parauna geometría y características de suelo dados. Evaluar la estabilidad de un

talud implica un estudio en el cual se debe #entre otros eventos% caracterizar laresistencia del suelo# establecer el perfil del talud así como las condiciones defiltración y agua subterr$nea# seleccionar una superficie de deslizamiento ofalla y calcular su factor de seguridad. ,inalmente# a partir de este factor deseguridad se deber$ determinar la superficie de falla crítica y se establecer$una medida de mitigación en caso de que el factor de seguridad entregado seamenor a uno.

&entro de las metodologías disponibles de an$lisis de estabilidad de taludes#se encuentran los m(todos de límite de equilibrio# los m(todos num(ricos y los

m(todos din$micos para el an$lisis de deslizamiento. Los m$s utilizados sonlos m(todos de equilibrio límite# los cuales analizan el equilibrio de una masapotencialmente inestable# y consisten en comparar las fuerzas tendentes almovimiento con las fuerzas resistentes que se oponen al mismo a lo largo deuna determinada superficie de rotura.

Existe una subdivisión para los m(todos de equilibrio límite en función de laexactitud de los resultados# donde es posible encontrar el grupo de los m(todosexactos y el de los no exactos. En el primer caso# las leyes de la est$ticaentregan una solución exacta dada la geometría sencilla que tiene la masa de

suelo que falla# por lo que allí se encuadran los c$lculos realizados para roturasdel tipo plano y las por cu)as. 'or otro lado# en el segundo grupo# lassoluciones de la est$tica no son suficientes y el problema se vuelve"iperest$tico# debiendo recurrir entonces a una "ipótesis inicial o a algunasimplificación para resolverlo.

&entro de los m(todos no exactos se encuentran aquellos que considerancompleta la masa de suelo que desliza# como un todo# y son conocidos comom(todos de estabilidad global de la masa de terrenoN y# aquellos que dividen lamasa deslizante en fracciones m$s peque)as para simplificar el an$lisis# loscuales se denominan m(todos de las dovelas.

El m(todo de las dovelas se clasifica en m(todos precisos /teorías de4orgenstern 3 'rice# pencer y Qis"op 2iguroso0 y en m(todos aproximados/Sanb!# ,ellenius y Qis"op implificado0.

* modo de resumen# en la siguiente figura engloba todo lo mencionadoanteriormente.


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M,'# #" /&;$($( #" "


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,igura% Qloque sobre plano inclinado a un $ngulo de la "orizontalᴪ

,uente /5oeR3E and Qray3S.T.1@10

La componente de T que tiende a mover el bloque "acia abajo es Tsin y laᴪcomponente que ayuda a estabilizarlo es Tcos .ᴪ

*l suponer que el bloque y la superficie est$ formada por suelo# entonces elesfuerzo normal H que act!a a lo largo de la superficie de deslizamiento# seencuentra dado por%

,igura% alud con superficie de falla plana a grados de la "orizontal. ,uente%ᴪTyllie3&.CC and 4a"3C.T.:

σ =Wcos ᴪ

A (1 )

&onde%

*?Area de la base del bloque

El esfuerzo cortante que act!a en esta superficie de 6falla7# seg!n la Ԏecuación de 4o"r 3Coulomb.


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Ԏ=c+σtanφ (2)

La ecuación anterior# surge de la relación entre el esfuerzo cortante y elesfuerzo normal de una superficie de roca típica o de una muestra de suelo

/5oeR3E and Qray3S.T.1@10 Jer figura

,igura% 2elación entre el esfuerzo cortante y el esfuerzo normal Ԏ σ .

,uente /5oeR3E and Qray3S.T 1@10

ustituyendo la ecuación 1 en

Ԏ=c+Wcos ᴪ

A tanφ (3 )

La ecuación - se convierte en%

R=cA+Wcos ᴪ tanφ (4 )

&onde 2? AԎ ; ,uerza cortante que resiste el deslizamiento del bloque.

El bloque se encuentra a punto de deslizarse o en Equilibrio limite# cuando lafuerza que tiende a mover el bloque "acia abajo del plano es exactamente iguala la fuerza resistente. &e manera que%

Wsinᴪ =cA+Wcosᴪ tanφ (5 )

Con el fin de incorporar el concepto de equilibrio límite en la estabilidad detaludes# se requiere el uso de un ,actor de seguridad# este se define como larelación de todas las fuerzas que intervienen en la resistencia la deslizamientosobre el total de las fuerzas que aportan el movimiento.

Considerando el bloque de la figura 1 tenemos que U se encuentra dado por%


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η=cA+Wcos ᴪ tanφ

Wsinᴪ (6 )

Cuando el talud se encuentra en estado de equilibrio límite# todas las fuerzas

de resistencia y las fuerzas desestabilizadoras son iguales. Conη

? 1.seg!n la ecuación M# el talud es estable cuando las fuerzas resistentes sonmayores a las fuerzas desestabilizadoras# de tal forma# que le factor de

seguridad η # tiene que ser mayor que uno / η V 1.0.En la pr$ctica# el factor

de seguridad para los taludes en minas a cielo abierto# generalmente varíaentre 1. y 1.-# ya en estos taludes la estabilidad no se requiere para largosperiodos de tiempo. En el caso de taludes adyacentes a vías principales elfactor de seguridad es de 1.: /5oeR3E and Qray3S.T 1@10

T"r=/ #" "


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3*l momento de la falla la resistencia al corte del suelo se desarrolla con unamagnitud constante en toda la superficie de rotura.

&entro de los m(todos no exactos se encuentran aquellos que considerancompleta la masa del suelo que desliza# como un todo# y son conocidos comom(todos de estabilidad global de la masa de terreno y aquellos que dividen lamasa deslizante en fracciones m$s peque)as para simplificar el an$lisis# loscuales se denominan m(todos de las dovelas.

En cuanto a los m(todos de las dovelas# estos son usados en aquellos casosen que la superficie de rotura del terreno es del tipo circular. &e esta manera elproblema se aborda bidimensionalmente# tomando una sección transversalrepresentativa del talud y dividi(ndola en franjas del mismo tama)o. * cada

dovela se le analiza su nivel de estabilidad# lo que permite concluir acerca desu seguridad global del talud.

En la figura se muestra un talud con una superficie potencial de falla definidacon el arco *Q. La masa de suelo que se encuentra dentro de esta superficiede rotura es dividida en varias dovelas. El talud considerado debe ser unasección transversal representativa del talud real# el que ser$ estudiado por cada metro lineal.

,igura Esquema del an$lisis de estabilidad de taludes por el m(todo de lasdovelas

Las fuerzas que act!an sobre el talud# se pueden apreciar en la siguiente figuradonde se toma la Uma dovela como ejemplo%

&onde#T% 2esultante peso dovela


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2% ,uerza que act!a como reacción al peso de la dovela

;n y ;/nW10% ,uerzas ;ormales que act!an en cada lado de la dovela

n y /nW10% ,uerzas tangenciales que act!an en cada lado de la dovela

;r % Componente normal de la reacción 2

r % Componente tangencial de la reacción 2

,igura% Esquema de las fuerzas que act!an en la Uma dovela# de acuerdo alm(todo de las dovelas.

Como las fuerzas ;n # ;/nW10 # n y /nW10 son complejas de terminar# es posiblestomar en consideración que las resultantes de ;n y n son iguales en magnituda las resultantes de ;/nW10 y /nW10# y que sus líneas de acción coinciden.

Entonces# por la consideración de equilibrio tomada# la componente de lareacción ser$%

N R=W N ∗cos (∝n)

*dem$s# la resistencia al corte que ofrece el suelo# con el criterio de 4o"r3Coulomb# se escribe como%

T R= ∗(! " )= ∗(!" ) FS

=1

FS∗[c+σ ∗tan (ϕ ) ]∗! "


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&onde el esfuerzo normal # σ # considerando en la ecuación anterior# es igual

a%

N R

(!" )

=W N ∗cos (∝n)

!"

&entro de las características del m(todo de &ovelas# est$ el "ec"o de que estesatisface el equilibrio de momentos# por lo que al considera esta condición# setiene que el momento producto de las fuerzas movilizadas sobre el centro O delcirculo de falla# es igual al momento que resulta del actuar de las fuerzasresistentes sobre O. Entonces%

∑n=1

n= #

W N ∗sin (∝n )=∑n=1

n= #1

FS∗[c+W N ∗cos (∝n)!" ∗tan (ϕ ) ]∗!"∗r

&e la ecuación anterior entonces se deduce%

FS=∑n=1

n=$

[c∗!"+W N ∗cos (∝n)∗tan (ϕ) ]

∑n=1

n= #

W N ∗sin (∝n )

'ara encontrar el factor de seguridad del círculo de rotura crítico# es decir# elmínimo factor de seguridad del talud# se deben realizar varios intentosreubicados el centro del círculo de falla.

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