Inestabilidades por degradación superficial de taludes en suelos. Corrección mediante sistemas de refuerzo anclados

Abstract

RESUMEN: Los fenómenos de inestabilidad superficial de taludes en suelos suelen ir asociados a degradación de las propiedades mecánicas a partir de su superficie, por diferentes procesos (humectación, meteorización, etc.). Su análisis se realiza generalmente mediante el empleo de métodos de equilibrio límite, principalmente el método de talud indefinido. Dentro de este marco, la presente Tesis Doctoral plantea un análisis numérico consistente en simular la degradación del terreno mediante una formulación en elementos finitos, con el objetivo de aplicarlo en el análisis de taludes. Por otro lado, existen distintos sistemas de prevención y corrección de este tipo de inestabilidades, que van desde sistemas como la revegetación, hasta el empleo de sistemas flexibles anclados. Actualmente se comienza a emplear un sistema de refuerzo basado en mallas de alambre de acero de alta resistencia ancladas al talud, cuyo efecto principal es la transmisión de una presión al paramento, al deformarse la malla adquiriendo cierta curvatura bajo estado de tracción. Este tipo de sistemas es también analizado en la investigación que se presenta. Para ello, se comienza con el estudio del efecto del refuerzo, analizando la estabilidad de taludes sometidos a presión en su superficie, mediante el método de equilibrio límite. Seguidamente se realiza una caracterización de la malla de refuerzo, prestando especial atención a su comportamiento tensión-deformación, y a su anisotropía. La investigación continúa mediante el análisis numérico de la interacción entre el terreno y el refuerzo, considerando una serie de celdas elementales de contorno sencillo. Los resultados obtenidos permiten establecer una serie de factores críticos y condicionantes en el análisis de estos sistemas, y también relacionados con la forma de cálculo a emplear. Sobre la degradación del terreno, se propone una formulación general dentro de la Teoría de la Plasticidad, que se implementa en el programa de elementos finitos OXFEM de la Universidad de Oxford. Dicha formulación se verifica mediante el análisis de una cimentación superficial sometida a una degradación desde la superficie hacia el interior del terreno. Finalmente, se analiza el caso de taludes con y sin refuerzo, sometidos a distintos grados de degradación en su zona superficial.

ABSTRACT: Shallow instabilities in soil slopes are usually related to degradation of mechanical soil properties advancing from its surface, and due to different process (water infiltration, erosion, etc.) The analysis of this problem is usually carried out by limit equilibrium, considering the slope as being of infinite length. This Thesis proposes a numerical analysis based on a soil degradation formulation in finite elements. On the other hand, there are different systems for preventing and correcting these instabilities, as slope revegetation, the use of flexible systems nailed to the slope, etc. In the last years, increasing use in made of meshes of high strength steel wire, nailed to the slope face. In these systems, the mesh develops some curvature under deformation, so that, it exerts a normal pressure to the slope face. Limit equilibrium analyses of slopes with pressure acting on their surface are presented as part of the investigation. After that, characterization of the wire mesh is presented, with particular emphasis on its anisotropic stiffness and mechanical behaviour. Analysis of the interaction between the soil and the mesh is carried out by numerical analyses of some elementary cells. The results allow identifying some important factors that need to be taken into account in the analysis of the described systems. A formulation for soil degradation, based on Plasticity Theory, is proposed. It is implemented on the finite element program OXFEM of the University of Oxford. The computer implementation of the formulation is checked by the analysis of a shallow footing subjected to a degradation starting on the soil surface. Finally, this formulation of degradation is used to perform analyses of reinforced and un-reinforced slopes subjected to different degrees of degradation on its surface.