La construcción de un terraplén sobre arcilla puede generar un exceso de presión de poro sobre dicho material, lo que, a corto plazo, provocaría problemas de estabilidad de la pendiente. Por eso es importante evaluar el Factor de Seguridad considerando el comportamiento de la arcilla tanto drenada (a largo plazo) como no drenada (a corto plazo). Estos distintos Factores de Seguridad se pueden determinar fácilmente utilizando un software de elementos finitos para realizar un análisis de seguridad de reducción de resistencia.

Análisis simplificado de estabilidad de la pendiente

Para realizar un análisis de elementos finitos de un terraplén sobre arcilla, son necesarios los siguientes valores:

1. Estratigrafía del suelo.
2. Geometría del terraplén.
3. Parámetros geotécnicos de los materiales involucrados.

Estos parámetros varían en función del modelo constitutivo adoptado para cada material. A continuación, se muestran algunos modelos de ejemplo:

• Módulo de Young y coeficiente de Poisson para la rigidez.
• La cohesión para la resistencia, el peso unitario, etc.

El flujo de trabajo para realizar el análisis de elementos finitos debería seguir estos pasos:

1. Definir la estratigrafía del suelo.
2. Dibujar las estructuras relacionadas con el proyecto geotécnico.
3. Crear la malla de elementos finitos.
4. Definir las condiciones de flujo.
5. Establecer las fases de construcción por fase.
6. Luego de completar estos pasos, se puede realizar el análisis geotécnico. Cada fase de construcción se calcula por separado, en secuencia.

Desglose: Análisis de un ejemplo

Como ejemplo, consideraremos un terraplén de 13 ft (4 m) de altura.

•  Las pendientes son 1V:2H y 1V:3H, y están construidas sobre una base de arcilla.
  •    El ancho de la cresta del terraplén es de 7 ft (2 m).
  •    El nivel del agua subterránea está en la superficie.
  •    Se definen dos conjuntos diferentes de parámetros para la cimentación sobre arcilla: uno para el comportamiento drenado y otro para el no drenado.

Figura 1. Ejemplo de modelo geotécnico de estabilidad de la pendiente

 

Para analizar la estabilidad drenada y no drenada del problema, se establecen diferentes fases de cálculo:

Fase inicial: Generación de tensiones iniciales en el sitio, antes de la construcción del terraplén. Debido a la superficie horizontal, se puede emplear el procedimiento K0 para hacerlo.

Primera fase: Cálculo plástico de la construcción del terraplén sobre arcilla drenada.

Segunda fase: Cálculo plástico del terraplén sobre arcilla no drenada.

Para el análisis de seguridad de reducción de resistencia, se crean dos fases nuevas: la tercera fase (a partir de la primera) para el análisis de seguridad drenado y la cuarta fase (a partir de la segunda) para el análisis de seguridad no drenado.

El resultado del análisis de elementos finitos de las fases anteriores es la deformación, los desplazamientos, las tensiones, las presiones de poro y el Factor de Seguridad, tanto para la cimentación drenada como para la no drenada. El mecanismo de fallo también se puede ver en ambos casos.

Por ejemplo, los desplazamientos indican que el terraplén se asienta en todas partes en el caso de la cimentación drenada, mientras que en el caso no drenado la cimentación tiene menos hundimiento cerca del pie. Es lógico, no puede haber un cambio de volumen en una base no drenada. Por lo tanto, si el subsuelo se asienta en el medio debido al peso del terraplén, debe elevarse en algún otro lugar, por lo general, justo al lado del terraplén.

Figura 2. Malla deformada tras el cálculo plástico drenado (arriba) y no drenado (abajo)

En cuanto a la generación de presiones de poro excesivas, vemos que no se genera exceso de presión de poro en la condición drenada, como era de esperarse. Para la condición no drenada, se pueden verificar la ubicación, la intensidad y las direcciones principales del exceso de presión de poro. Por ejemplo, podemos observar que los valores más altos de presión de poro se producen directamente debajo del terraplén.

Figura 3. Exceso de presiones de poro luego de la construcción sobre un subsuelo no drenado

Los factores de seguridad obtenidos son diferentes en el análisis drenado y en el no drenado, lo que demuestra el efecto del exceso de presión de poro en la cimentación. Los desplazamientos máximos presentados en el análisis de seguridad no tienen un significado físico, ya que dependen del número de pasos. Más pasos de carga supondrían que el cálculo se inclinaría más hacia el fallo, lo que generaría mayores desplazamientos, mientras que, en realidad, un terraplén fallido restablecería un nuevo equilibrio con deformaciones limitadas. Sin embargo, los desplazamientos incrementales en el paso final del cálculo son muy útiles, ya que proporcionan una indicación del mecanismo de falla probable.

Figura 4. Mecanismo de falla tras el análisis drenado (arriba) y no drenado (abajo)

Los mecanismos de falla indicados por el análisis de seguridad muestran que, con una cimentación drenada, la superficie crítica de deslizamiento se ubica por completo dentro del terraplén. Por otro lado, en una cimentación no drenada, la superficie de deslizamiento crítica también se desplaza a través de la cimentación.

Figura 5. Evaluación del Factor de Seguridad, drenado (arriba) y no drenado (abajo)

En este ejemplo, se observa cómo el análisis de elementos finitos es una herramienta poderosa para evaluar la generación de presiones de poro excesivas y el Factor de Seguridad, lo que aporta información importante para evaluar el cumplimiento de las normas de seguridad en los proyectos geotécnicos.