Análisis de estabilidad de taludes para contenciones de excavaciones en sótanos de edificios en el Valle Central de Guatemala mediante el método de equilibrio límite y modelado numérico en elementos finitos

Abstract

La estabilidad de taludes consiste en un análisis geotécnico para obtener factores de seguridad mínimos, que permitan asegurar que sean estables tanto en situación estática como en pseudo estática, a fin de evitar accidentes que involucren pérdidas materiales y humanas. El análisis de estabilidad de un talud depende de las propiedades del suelo tales como la cohesión, peso específico y el ángulo de fricción puesto que permiten establecer el comportamiento que tendrá un talud. Actualmente existen distintos métodos de cálculo para determinar la estabilidad, sin embargo, el método de dovelas y el de Bishop siguen siendo los de mayor uso en el campo de la geotecnia. Programas especializados en el área entregan la superficie de falla más desfavorable, la distribución de las dovelas consideradas dentro de la masa deslizante y los diagramas de cuerpo libre para cada una de las dovelas dentro de la superficie de falla estudiada. (Sanhueza & Rodríguez, 2013) Con el desarrollo computacional acelerado se ha propuesto un nuevo método para el análisis de estabilidad de taludes, el cual es el método de elementos finitos introducido por Clough y Woodward. Este método consiste en dividir la masa de suelo en unidades discretas mediante una malla con nodos y bordes predefinidos. Luego se presentan los resultados en forma de esfuerzos y deformaciones a los puntos nodales. La condición de falla obtenida es la de un fenómeno progresivo en donde no todos los elementos fallan simultáneamente. La técnica de reducción de la resistencia al corte fue propuesta por Zienkiewicz et al. (1975). Este método es efectivo para evaluar el desempeño junto con el factor de seguridad del talud y ubicar la superficie de falla. (Cervera, 2022) Para asegurar la estabilidad de taludes existen distintos métodos de contención que son efectivos dependiendo de las condiciones del sitio y de las propiedades del suelo. Una de las soluciones geotécnicas más conocidas y empleadas son los muros clavados o soil nailing debido a su rápida y económica ejecución para la estabilidad de taludes y excavaciones de terreno. En la etapa de diseño, la verificación de la estabilidad externa del muro de clavado del suelo es uno de los criterios de aceptabilidad más importantes. (Villalobos, 2021) El clavado del suelo permite formar una estructura equivalente de pared por gravedad, con mayor resistencia al cizallamiento en comparación con el suelo in situ original. El objetivo principal de esta metodología de contención es evaluar la estabilidad externa de los muros de clavado del suelo, considerando la influencia de la variabilidad de su altura y los parámetros geo mecánicos del suelo in-situ. (Villalobos, 2021) Es desde estos conceptos donde se establece esta investigación, en la cual se pretende analizar métodos de equilibrio límite y el método de elementos finitos en excavaciones de sótanos mediante programas especializados en geotecnia, con una protección típica de muro soil nailing. Esto con el objetivo de generar una comparativa entre los métodos al obtener factores de seguridad tanto en situación estática y pseudo estática y establecer ventajas y desventajas de cada método con base en las condiciones geológicas del área y las propiedades del suelo del Valle Central de Guatemala.

Slope stability consists of a geotechnical analysis to obtain minimum safety factors that ensure stability under both static and pseudo-static conditions, in order to prevent accidents involving material and human losses. The stability analysis of a slope depends on soil properties such as cohesion, unit weight, and friction angle, as they help determine the behavior of the slope. Currently, there are different calculation methods to assess stability; however, the limit equilibrium methods, such as the method of slices and Bishop's method, remain the most widely used in geotechnical engineering. Specialized software provides the most critical failure surface, the distribution of the slices within the sliding mass, and free-body diagrams for each slice along the studied failure surface. (Sanhueza & Rodríguez, 2013) With the rapid development of computational tools, a new approach for slope stability analysis has been proposed: the finite element method (FEM), introduced by Clough and Woodward. This method divides the soil mass into discrete units through a mesh with predefined nodes and edges. The results are presented as stresses and deformations at the nodal points. The failure condition obtained represents a progressive failure, where not all elements fail simultaneously. The shear strength reduction technique, proposed by Zienkiewicz et al. (1975), is an effective method for evaluating slope performance, determining the safety factor, and identifying the failure surface. (Cervera, 2022) To ensure slope stability, various retaining methods are employed depending on site conditions and soil properties. One of the most well-known and widely used geotechnical solutions is soil nailing, due to its cost-effectiveness and rapid construction process for stabilizing slopes and excavations. In the design phase, verifying the external stability of the soil-nailed wall is one of the most important acceptance criteria. (Villalobos, 2021) Soil nailing forms an equivalent gravity wall structure, providing greater shear resistance compared to the original in-situ soil. The primary objective of this retention methodology is to evaluate the external stability of soil-nailed walls while considering the influence of height variability and in-situ geomechanical parameters. (Villalobos, 2021).