ARTÍCULO ORIGINAL
Análisis bidimensional de
estabilidad del talud en una zona de falla geológica en Chinchao,
Huánuco, Perú
Slope stability bidimensional analysis in a geological fault zone in Chinchao, Huanuco, Peru
Jose
Antonio Bustillos Cotrado 1,a
Filiación institucional
1
Universidad de Huánuco, Huánuco, Perú.
Grado académico
a
Ingeniero Civil.
Recibido: 20-10-23
Aprobado: 29-12-23
Publicado: 12-01-24
Citar
como: Bustillos, J. A. (2024). Análisis
bidimensional de estabilidad del talud en una zona de falla geológica en Chinchao, Huánuco, Perú. Revista Científica De Ingeniería,
Diseño y Arquitectura Contemporánea, 1(1):9-17.
https://doi.org/10.37711/idac.2024.1.1.2
RESUMEN
Objetivo.
Evaluar la condición de estabilidad del talud en una zona de falla geológica
por el método de equilibrio límite de la progresiva, km 37+700 al km 37+800
(ruta nacional PE+18A), en el centro poblado de Pachachupán,
distrito de Chinchao, provincia y región de Huánuco. Métodos.
Investigación de enfoque cuantitativo, nivel descriptivo de observación
naturalista, tipo básico, y diseño no experimental. La muestra estuvo
conformada por el talud más crítico a través de un criterio de muestreo no
probabilístico intencionado. Resultados. El factor de seguridad para el
análisis estático fue de 0,381 y para el pseudoestático
de 0,214. Por otro lado, la falla geológica se encontró inactiva, presentando
como indicadores directos: desplazamientos de 5,5 cm en el plano de falla;
estrías en dirección al plano de falla de 2 a 2,5cm; brechas de falla en
depresiones erosionadas de material fino e indicadores directos; una morfología
de área escarpada por procesos erosivos con vista de fracturas en los estratos
del macizo rocoso; una vegetación constituida por arbustos y terrenos agrícolas
de cultivo; y ausencia de afluentes y torrentes generados por aguas
subterráneas. Conclusiones. La condición de estabilidad del talud para
un análisis estático y pseudoestático fue inestable y
la inactividad de la falla geológica no representa un riesgo potencial crítico
en la formación de fenómenos de geodinámica externa (deslizamientos, flujos de
tierra y flujos de detritos).
Palabras clave: deslizamiento de tierra; reconocimiento topográfico;
reconocimiento geológico; investigación hidrológica; evaluación de riesgos.
ABSTRACT
Objective. Evaluate slope stability condition in a geological
fault zone through the limit balance method of the progressive of the highway,
km 37+700 al km 37+800 (national route PE+18A), of the populated center Pachachupan, Chinchao district,
province and region Huanuco. Methods. Research
quantitative approach descriptive level naturalistic observation type basic and
no experimental. The sample consisted of the most critical slope using a
non-probabilistic purposive sampling criterion. Results. The factor of
safety for the static analysis was 0.381 and for the pseudo-static analysis
0.214. On the other hand, the geological fault was found inactive, presenting
as direct indicators: displacements of 5.5 cm in the fault plane; striations in
the direction of the fault plane of 2 to 2.5 cm; fault breccias
in eroded depressions of fine material and direct indicators; a morphology of
steep area by erosive processes with view of fractures in the strata of the
rock massif; vegetation consisting of shrubs and cultivated agricultural land;
and absence of tributaries and torrents generated by groundwater. Conclusions.
The slope stability condition for a static and pseudo-static analysis was
unstable and the inactivity of the geologic fault does not represent a critical
potential risk in the formation of external geodynamic phenomena (landslides,
earth flows and debris flows).
Keywords: landslide; topographic acknowledgment; hydrologic
research; risk assessments
Introducción
El
análisis de estabilidad de taludes es muy relevante en las obras de ingeniería;
este se determina a través del cálculo del factor de seguridad, en función a
las cargas existentes, parámetros geométricos y propiedades físicas del
terreno. Existen teorías simplificadas en la resistencia de materiales para la
determinación del factor de seguridad; entre ellas: el método de equilibrio
límite y el método de elementos finitos, logrando así soluciones
determinísticas (Beneyto et al., 2011).
En
los últimos decenios, América Latina adoleció de incontables desastres
naturales causados por el calentamiento global, ubicación en zonas sísmicas y
demás condiciones geográficas, lo que provocó grandes pérdidas económicas y
sociales, por lo que ha crecido significativamente el interés de los gobiernos
en la gestión y prevención de riegos y desastres (Pierre, 2019).
En
el Perú existen antecedentes y registros históricos en la formación de
fenómenos de geodinámica externa (deslizamientos de tierra y roca, huaycos,
aluviones, hundimientos, derrumbes, inundaciones) a través de evidencias
litológicas y morfológicas. No obstante, estos fenómenos nos han dejado
lecciones trágicas por la indiferencia del hombre, como: los deslizamientos del
cerro Cóndor en el Departamento de Ayacucho y de Recuay
en el Departamento de Ancash y los aluviones de Ccochacay
en el Departamento de Huancavelica, Yungay Ranrairca
en el Departamento de Ancash y Chavín de Huántar en
el Departamento de Huánuco (Jaén y Taype, 1976).
En
la región de Huánuco, Zavala y Vílchez (2006) indicaron que las zonas más
vulnerables están expuestas a los movimientos en masa (flujos de lodo y piedra,
derrumbes y deslizamientos) y peligros geohidrológicos
(erosión fluvial e inundaciones). El análisis de estabilidad de taludes
conlleva calcular el factor de seguridad. Para ello, al momento de realizar el
modelo físico se deben considerar los elementos críticos: topografía del talud,
reconocimiento geológico, fallas existentes en el cuerpo del talud, fuerzas
sísmicas, flujo de agua y el análisis geotécnico. Existen limitaciones en
cuantificar todos los factores críticos posibles en el talud para el desarrollo
del modelo matemático (Suarez, 1998).
El
análisis de estabilidad de taludes consiste en evaluar y comparar el esfuerzo
cortante de la superficie más probable de falla con la resistencia cortante del
suelo. Además de considerar: el perfil estratigráfico del suelo, los parámetros
de resistencia cortante, la infiltración en el talud, la selección de la
superficie potencial de falla, entre otros (Braja,
2001). En el análisis de estabilidad de taludes se considera el estado último o
de rotura existente del suelo, evaluando aquellos factores posibles de
inestabilidad como: el peso propio del material, el nivel de filtración y
escurrimiento superficial, así como las demás cargas existentes (Pérez, 2005).
El
análisis de estabilidad de taludes es fundamental e imprescindible en la
ingeniería civil. Por tal motivo existe una ardua experiencia en la
identificación de fallas y evaluación del comportamiento del talud, facilitando
la identificación y conocimiento de las propiedades físico-mecánicas del suelo
a través de ensayos y pruebas, ya sea en laboratorio o en campo (Duncan et al.,
2014).
Por
otro lado, una falla geológica debe ser entendida como una fractura en la superficie
terrestre entre bloques separados por la misma, en la que sus dimensiones
varían desde pequeños centímetros a cientos de metros para los desplazamientos,
y desde pequeñas fracturas a cientos de kilómetros en su longitud (Rivera,
2011).
Durante
la inspección técnica en el área de estudio se encontró la presencia de una
zona de falla geológica de tipo normal que generaba sobrecargas adicionales al
talud por el arrastre y acarreo del material a través de agentes de transporte:
agua y aire. De igual manera, se observó agrietamientos en el talud superior,
erosión y daños en el carril de la plataforma izquierda de la carretera central
y el deterioro de las obras de arte longitudinal (cunetas) y transversal
(alcantarillas).
Además,
se solicitó a la Municipalidad Distrital de Chinchao,
en el Departamento de Huánuco, entidad encargada en la jurisdicción del área de
investigación, toda la información recogida y existente para el desarrollo de
los estudios básicos de ingeniería (topográfico, hidrológico, geológico,
geotécnico, de amenaza y riesgo).
Todo
ello impulsó al desarrollo del presente estudio en la evaluación de la
condición de estabilidad del talud en una zona de falla geológica por el método
de equilibrio límite de la progresiva km 37+700 al km 37+800 (ruta nacional
PE+18A), en el centro poblado de Pachachupán,
distrito de Chinchao, provincia y región de Huánuco;
todo lo cual se realizó a través de la determinación del factor de seguridad,
descripción de los parámetros utilizados por el método de equilibrio límite,
descripción de los métodos de análisis desarrollados en el método de equilibrio
límite e identificación de las herramientas computacionales existentes para su
análisis.
Métodos
Tipo y
área del estudio
El
enfoque del estudio fue cuantitativo, al utilizar métodos y técnicas
cuantitativas para responder al fenómeno de investigación y contrastar la
hipótesis a través de la medición numérica, el muestreo y el análisis
estadístico (Ñaupas et al., 2018).
El
nivel del estudio fue descriptivo, al buscar describir las características,
propiedades y manifestación del fenómeno de investigación. Así mismo, no
presenta hipótesis, al no analizar la relación o causalidad de las variables de
estudio (Arias, 1999).
El
tipo de estudio fue básico, al desarrollar y consolidar las bases teóricas de
las variables de estudio, además de servir como fuente de consulta para el
desarrollo de posteriores estudios aplicados o tecnológicos (Ñaupas et al., 2018).
El
diseño del estudio fue no experimental de corte transversal, considerando que
la muestra representativa de la población es estudiada en un único momento
(Hernández-Sampieri y Mendoza, 2018).
Población
y muestra
La
población, referida al conjunto de elementos del cual se recaba la información
(Garay et al., 2020), estuvo conformada por el conjunto de taludes del centro
poblado de Pachachupán. Además, se consideró un
muestreo no probabilístico intencional basado en el juicio y criterio del
investigador (Reyes y Sánchez, 2006), que corresponde al talud de la progresiva km 37+700 al km 37+800 (ruta nacional PE+18A).
Los criterios de inclusión fueron: taludes con riesgo de movimientos en masa y
daños ocasionados. Fueron excluidos del estudio aquellos taludes a los que, por
sus condiciones geográficas, no se tuvo acceso.
Variables
e instrumentos de recolección de datos
La
variable fue el análisis bidimensional de estabilidad del talud en una zona de
falla geológica, el cual fue valorada con el instrumento con el que se
recolectó datos fue la ficha de investigación, a través del procesamiento y
análisis de datos obtenidos en los ensayos de laboratorio y campo (Ñaupas et al., 2018); lo cual se realizó en los estudios
básicos de ingeniería: topográfico, hidrológico, geológico, geotécnico, de
amenaza y riesgo, para el análisis de estabilidad del talud, y también en la
visita técnica para la identificación de indicadores directos e indirectos de
la falla geológica.
Técnica
y procedimientos de la recolección de datos
El
proceso de recolección de datos se realizó a través de la observación,
considerando la toma de información y registro de datos al observar
detalladamente el fenómeno de estudio (Hernández-Sampieri
y Mendoza, 2018).
Para
recolectar los datos se consideró el siguiente procedimiento:
1.Estudio
topográfico para la identificación de los parámetros geométricos, es decir, la
conformación topográfica del talud.
2.Estudio
hidrológico para conocer los cambios en el régimen de aguas subterráneas
relacionadas con las lluvias e hidrología superficial.
3.Estudio
geológico para la caracterización de los elementos geológicos: formación
geológica, estructuras, discontinuidades y meteorización.
4.Estudio
geotécnico a través de una metodología de investigación geotécnica, cuyo contenido
estuvo caracterizado por las siguientes actividades: recopilación de la
información, reconocimiento geológico, planificación de actividades de
exploración y muestreo, realización de exploración en campo, determinación y
selección de muestras, realización de ensayos de laboratorio y la
interpretación de la investigación geotécnica.
5.Estudio
de amenaza y riesgo para la identificación de peligros, riesgos y amenazas en
el área de estudio, así como la evaluación de medidas de prevención.
Análisis
de datos
Para
el análisis de estabilidad del talud se trabajó con los parámetros geométricos
del talud más crítico, así como con el tipo de material más representativo en
el área de estudio. Este criterio se asumió considerando al talud como un bloque
rígido e isotrópico (según el método de equilibrio límite).
Los
datos fueron procesados en el software Slide, versión
5.014. Para la presentación de datos se utilizaron también los programas:
Excel, Autocad, Autocad
Civil 3D, Arcgis, entre otros.
Aspectos
éticos
El
estudio se desarrolló respetando todas las disposiciones y principios del
Código de Ética para la Investigación de la Universidad de Huánuco, ratificado
con la resolución N.°1213-2016-R-CU-UDH, de fecha 23 de septiembre del 2016.
Resultados
Análisis
bidimensional de estabilidad del talud
Para conocer las propiedades físico-mecánicas del suelo, así como los parámetros de resistencia cortante, se trasladó una muestra inalterada encajonada y representativa del talud al laboratorio geotécnico del Centro Peruano Japonés de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres (CISMID) de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) (ver Tablas 1, 2 y Figuras 1, 2).
Se realizó un análisis estático considerando las solicitudes externas (sobrecargas, presión de poros, presión efectiva, nivel freático, aguas subterráneas, etc.), así como el peso propio del material. El método de análisis utilizado por el método de equilibrio límite en el análisis de estabilidad del talud fue el GLE/Morgenstern Price. El cálculo del factor de seguridad utilizó la técnica de dovelas, obteniendo un valor de 0,381 (ver Figura 3).
Se realizó un análisis pseudoestático considerando una fuerza horizontal que simula el efecto dinámico y es dependiente del coeficiente sísmico; su valor fue obtenido del mapa de isoaceleraciones espectrales, que para la región del área de estudio tuvo un valor de 0,32g, por la poca frecuencia de eventos sísmicos de gran magnitud e intensidad. El método de análisis utilizado por el método de equilibrio límite en el análisis de estabilidad del talud fue el GLE/Morgenstern Price. El cálculo del factor de seguridad utilizó la técnica de dovelas, obteniendo un valor de 0,214 (ver Figura 4).
Como
los factores de seguridad para los análisis estático y
pseudoestático fueron de 0,381 y 0,214. Se pudo
afirmar (Norma Técnica CE 0.20, 2018):
a)
Desde el punto de vista conceptual (físico).
Factor
de seguridad (FS) < 1; por lo que la condición de estabilidad del talud es
inestable.
b)
Según la norma técnica CE.020 estabilización de suelos y taludes.
Factor de seguridad (FS) < 1.5 (para solicitaciones estáticas); por lo que la condición de estabilidad del talud es inestable (ver Figura 5).
Factor de seguridad (FS) < 1.25 (para solicitaciones sísmicas); por lo que la condición de estabilidad del talud es inestable (ver Figura 6).
Evaluación
geotécnica de la falla geológica
La falla geológica se encuentra Inactiva, es decir, no se produjo desplazamientos entre los bloques por la poca eventualidad de sismos de magnitud e intensidad considerables en el área de estudio. Probablemente ha sido formada por procesos tectónicos compresivos (esfuerzo compresional de las placas tectónicas) durante procesos orogénicos (formación de montañas).
Discusión
La
metodología de equilibrio límite en el análisis de estabilidad del talud se
caracteriza por evaluar si la resistencia del suelo es suficiente frente a los
esfuerzos cortantes, que tienden a causar los agrietamientos y fallas. Sus
parámetros de análisis son: los pesos unitarios, la resistencia cortante, las
condiciones drenadas o no drenadas, los esfuerzos totales y efectivos, y la
estabilidad a corto y largo plazo (Suarez, 2009). Actualmente es una
herramienta muy útil en la práctica, ya que permite al ingeniero determinar el
factor de seguridad asumiendo superficies potenciales de falla.
Campos
y Espinoza (2021) realizaron el análisis de estabilidad de taludes utilizando
el método de equilibrio límite a través del software Slide
6.0, obteniendo como resultado la condición de inestabilidad de los mismos; por
lo que sugirieron como alternativa de solución la modificación de sus
parámetros geométricos a fin de reducir los daños colaterales.
Los
resultados son similares a nuestro estudio al obtener valores del factor de
seguridad inferiores a la unidad, por lo que la condición de estabilidad del
talud es inestable. Por otro lado, se realizaron prospecciones de campo para el
reconocimiento geotécnico y la caracterización geológica estructural en el área
de estudio.
En
su estudio, Salvatierra (2020) señala que la metodología de equilibrio límite
es más ventajosa para el análisis de estabilidad del talud, al evaluar las
fuerzas resistentes y actuantes sobre la superficie potencial de falla.
En
efecto, pese a la existencia de otras metodologías en la modelación de taludes:
esfuerzo-deformación continuos, esfuerzo-deformación para elementos discretos
discontinuos, cinemáticos estereográficos para taludes en roca, dinámica de
caídos en roca, dinámica de flujos, entre otros; el método de equilibrio límite
presenta ventajas como: la existencia de una gran cantidad de paquetes de
software, el análisis en dos y tres dimensiones con muchos materiales,
refuerzos y condiciones de nivel de agua (Suarez, 2009).
Por
su parte, Paredes (2019) desarrolló un análisis estático por las condiciones
secas del área de estudio, es decir, la inexistencia de napa
freática; mientras que para el análisis pseudoestático
utilizó un factor sísmico equivalente al 33 % de la aceleración máxima total,
es decir, la tercera parte de la aceleración máxima horizontal, obteniendo un
valor de 0,11.
Los
resultados se ajustan al criterio de análisis del estudio, para la condición
estática y pseudoestática, evaluando así la
superficie potencial de falla.
Por
otro lado, Calderón (2019) caracterizó el material en una zona de falla
geológica, encontrando por un lado limos de plasticidad media, teniendo como
clasificación SUCS la de ML y AASTHO de A-7-5 de baja calidad; así mismo,
encontró arcillas y limos de alta plasticidad, teniendo como clasificación SUCS
la de CH y MH y AASHTO de A-5. Los resultados evidencian el predominio de
suelos finos; lo que es compartido por nuestro estudio, donde la clasificación
SUCS muestra una arcilla delgada arenosa CL y la AASHTO, como A-7-6 (12). Todo
esto refleja un material crítico con riesgo de existir potencial de expansión en
las arcillas y potencial de colapso.
Conclusiones
La
condición de estabilidad del talud en la zona de falla geológica del área de
estudio para un análisis estático y pseudoestático es
inestable. Por otra parte, los parámetros utilizados por el método de equilibrio
límite son: las propiedades físicas del terreno y la resistencia cortante; el
método de análisis utilizado para ello fue el GLE/Morgenstern
Price. Además, existe una diversidad de herramientas computacionales para el
análisis de estabilidad de taludes como son: Slide, Plaxis, Slope, GEO5, etc.
Recomendaciones
Finalmente
se sugiere a las autoridades y comuneros del centro poblado de Pachachupán el uso de métodos de bioingeniería para la
estabilización de taludes por ser factibles y económicos; utilizando el bambú,
como un muro de contención ecológico, técnicas de siembra en vegetación a
través de zanjas de coronación, con su sistema de drenaje para el flujo de los
escurrimientos superficiales. Por otro lado, se recomienda el desarrollo de
futuros estudios experimentales utilizando métodos químicos en la
estabilización de taludes como la cal y el cemento; así mismo, el desarrollo de
estudios más especializados como las prospecciones geofísicas (ensayo de
refracción sísmica, ensayo de medición de ondas superficiales, ensayo Down Hole) para el hallazgo de aguas subterráneas a grandes
profundidades, buscando alternativas como el refuerzo de la estructura interna
del talud con inyección química, entre otros estabilizantes.
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Fuentes de financiamiento
La investigación fue realizada con recursos
propios.
Conflictos de interés
El autor declara no tener conflictos de
interés.
Correspondencia:
Jose
Antonio Bustillos Cotrado
E-mail:
jose.bustillos@udh.edu.pe