Download Presiones de poro

El Regimen lluvioso en El
Salvador y el Problema de las
Cárcavas en el AMSS
Aspectos de Ingeniería
Presenta: Ing. MSc. Luis Pineda,
Sociedad Salvadoreña de Geotecnia - SSG
EFECTO DEL AGUA
EFECTO DEL AGUA
•Aumento de la presión de poros
•Disminución de las tensiones negativas
•Aumento del peso unitario del suelo
Aumento de peso por aumento de humedad
•Este incremento en peso es apreciable, especialmente en
combinación con otros efectos que acompañan el aumento
en el contenido de agua (Duncan y Wright, 2005).
Los niveles freáticos
Al ocurrir lluvias acumuladas importantes, los niveles
freáticos ascienden generándose una presión de poros
relativamente permanente.
Aumento de la presión de poros
•La presión de poros
puede aumentar por la
infiltración de agua y/o
el ascenso del nivel de
agua freática
Avalanchas de lodo: Volcan de San Salvador (montebello)
– 19 /09/1982
Evento ocurrido
despues de varios
dias de lluvias
intensas, se
movilizaron
400,000m3 de
lahares soterrando el
reparto Montebello.
Arancibia Costa Rica, Junio, 2000
Ocho personas muertas en Junio 28 de 2000, después de tres días de
fuertes precipitaciones. El desprendimiento fué de 8.5 E06 m3
PRECIPITACION EN ZONAS TROPICALES
Las lluvias en las zonas tropicales son generalmente
convectivas de gran intensidad
700
LA ZONA DE CONVERGENCIA INTERTROPICAL
700
1400
0
280
700
2100
140
0
1400
700
2800
21 00
700
1400
Las lluvias en el sistema climático tropical dependen en
buena parte de la zona de convergencia intertropical y
generalmente
los
eventos
de
deslizamientos
catastróficos están relacionados con variaciones de la
zona de convergencia
PRECIPITACION
MEDIA ANUAL
EN EL MUNDO
700
EL NIÑO Y LA NIÑA
LA NIÑA
700
1400
0
280
700
2100
140
14 00
0
700
2800
700
2100
1400
EL NIÑO
La mayoría de los eventos de deslizamientos
catastróficos en el Norte de Colombia, en Venezuela
Centroamérica y México están relacionados con épocas
de “la Niña”. en El Perú y Ecuador están relacionados
con épocas de “el Niño”.
LOS HURACANES
Los huracanes son ciclones
de gran magnitud.
Mitch
JAIME SUAREZ DIAZ
Mitch
Es común que el paso de los ciclones afecte los volúmenes de
precipitación.
Ej. Chiapas- México 2005. Huracan Stan
Suelos residuales de granodioritas y meta-granitos con
perfiles de meteorización de 3 a 10 m. de espesor
Carretera
Los huracanes arrastran los
frentes nubosos de la zona de
convergencia intertropical
La mayor parte de las precipitaciones son
consecuencia de las bandas exteriores de los
huracanes y tormentas tropicales.
LLUVIAS EN 24 HORAS DURANTE SEPTIEMBRE Y
OCTUBRE DE 2005, MOTOZINTLA (CHIAPAS-MEXICO)
500
450
457
Precipitacion (mm)
400
350
300
250
ingenieria
200
150
120
100
50
75
32
41
19
0
23
24
25
26
27
57
10
28
SEPTIEMBRE 2005
4
29
0
30
0
1
7
0
2
3
10
0
4
5
6
7
OCTUBRE 2005
41
32
8
9
Respuesta : Deslizamientos aislados y Profundos
RESPUESTA
1.
La respuesta fue más lenta (Los deslizamientos importantes se
iniciaron aprox. 10 horas del inicio de las lluvias más intensas
ADAPTADO POR JAIME SUAREZ
SALCEDO
Flujos y avalanchas
- MATERIAL DE DANIEL
Instituto
•Pendientes medianamente fuertes
•Materiales muy permeables (Infiltración alta)
•Perfiles de meteorización relativamente profundos
•Suelos arenosos de baja cohesión
•Intervención antrópica muy grande
Geotécnicamente fué un problema de eliminación de succión
y aumento de presión de poros
Efectos dinámicos del agua
Efectos de los sismos + aguas subterraneas
Licuación
Efectos del Agua sobre el Suelo
Efectos del Agua sobre el Suelo
Lubricación
El efecto de lubricación ocurre principalmente a lo
largo de fracturas o planos de estratificación en
rocas o suelos estratificados (Wu, 2003).
La lubricación reduce la resistencia y
especialmente la fricción a lo largo de las
discontinuidades.
En los suelos arcillosos la lubricación se debe a
que la presencia del agua produce una repulsión
o separación entre las partículas.
La atracción depende de las fuerzas de Van-derWalls y la repulsión varía de baja (B) a alta (A)
dependiendo de los iones absorbidos y de la
concentración de electrolitos en el agua.

Efectos del Agua sobre el Suelo
Ablandamiento
El ablandamiento o debilitamiento se manifiesta
principalmente en las propiedades físicas de los
materiales de relleno en fracturas y planos de
falla en rocas.

El material de relleno puede tener un efecto de
debilitamiento debido al aumento de contenido
de agua.
Efectos del Agua sobre el Suelo
Presiones de poro
La presión de poros es la presión interna del agua de saturación.

El agua subterránea o agua freática ejerce presiones de poro
sobre las partículas de suelo, disminuye la presión efectiva y la
resistencia al cortante.
La presión de poros dentro del suelo depende de la localización de
los niveles freáticos, presiones internas de los acuíferos y las
características geológicas del sitio.
La presión de poros es mayor hacia adentro del talud y menor
cerca a la superficie
Efectos del Agua sobre el Suelo

Tensiones capilares
Las tensiones negativas o de capilaridad en la zona no saturada
del perfil de suelo se manifiestan en un aumento de la
resistencia por adherencia de las partículas de suelo.
El agua en el suelo no-saturado es agua adherida más que agua
gravitacional.
Esta adherencia aumenta los esfuerzos efectivos.
Las tensiones capilares se asimilan a un fenómeno de succión
del agua interna.
Al saturarse un suelo, se disminuyen las tensiones capilares o
presiones negativas, disminuyéndose la resistencia del suelo.
Efectos del Agua sobre el Suelo
Efectos del Agua sobre el Suelo
Sub-presiones
El agua subterránea confinada actúa como subpresión sobre las capas impermeables,
disminuyendo la resistencia al corte y ejerciendo
presiones hidrostáticas sobre los contactos de
cambio de permeabilidad.
Estos esfuerzos de levantamiento pueden inducir
deformaciones o rotura de los materiales, y las
presiones de poros disminuir la resistencia de los
suelos

Efectos del Agua sobre el Suelo
Fatiga por fluctuaciones del nivel freático
Es común que las fallas de los taludes ocurran durante los
periodos de lluvias fuertes.
El mecanismo puede ser el ascenso de la línea piezométrica
o la inestabilización de la capa superior de suelo por
flujo de agua paralelo al talud; Sin embargo, algunos
deslizamientos ocurren en episodios de lluvias de menor
intensidad que episodios previos.
Este fenómeno es explicado por Lacerda y Santos (2000),
como un caso de fatiga del suelo, debido a presiones de
poro cíclicas.

Efectos del Agua sobre el Suelo
Lavado de cementantes
El flujo de agua puede disolver los cementantes
naturales que pudieran existir, especialmente si
existen carbonatos de calcio solubles.
El agua subterránea puede sacar hacia fuera del
talud los cementantes solubles y así debilitar los
vínculos granulares y consecuentemente decrece
la cohesión, y el coeficiente de fricción interna.
Este proceso es generalmente progresivo. Los
suelos residuales poseen una gran
susceptibilidad a lavado de finos.

Efectos del Agua sobre el Suelo
Aumento de densidad
La presencia de humedad aumenta la
densidad o peso de los materiales de
suelo.

Al aumentar el peso, se aumentan los
esfuerzos de cortante y se disminuye el
factor de seguridad a los deslizamientos.
Efectos del Agua sobre el Suelo
Fuerzas hidráulicas internas
El movimiento de las corrientes de agua
subterránea ejerce presión hidrodinámica sobre
el suelo en la dirección del flujo.

Utilizando el método del gradiente hidráulico se
puede determinar la fuerza de la corriente en la
red de flujo. Esta fuerza actúa como un
elemento desestabilizante sobre la masa del
suelo y puede disminuir en forma apreciable el
factor de seguridad del talud.
Efectos del Agua sobre el Suelo
Colapso
Los suelos colapsibles son materiales muy
sensitivos a los cambios de humedad y al
aumentar el contenido de humedad su
microestructura se colapsa y su volumen
disminuye.
Los suelos colapsibles son comúnmente depósitos
de flujos de residuos, suelos aluviales
depositados muy rápidamente y los suelos
eólicos (Loess).

Efectos del Agua sobre el Suelo
Grietas por desecación
Los cambios de humedad pueden producir
agrietamiento.
Los fenómenos de agrietamiento determinan la
extensión y ubicación de la superficie de falla
y tienen un efecto muy importante en el
factor de seguridad o posibilidad de
deslizamiento.

Efectos del Agua sobre el Suelo
Interacción química
Procesos de intercambio iónico, disolución,
hidratación, hidrólisis, corrosión, oxidación y
reducción, y precipitación (Wu, 2003).

Efectos del Agua sobre el Suelo










Erosión
El desprendimiento, arrastre y depositación de las
partículas de suelo por acción del agua modifica
el relieve y los esfuerzos que pueden producir la
activación de un deslizamiento. Entre los tipos de
erosión se indican los siguientes:
Erosión laminar, en surcos y en cárcavas. La
erosión por las gotas de lluvia y por las corrientes
de agua de escorrentía repartidas o concentradas
y la erosión por acción de cuerpos de agua.
Efectos del Agua sobre el Suelo
Erosión interna. Si el gradiente hidráulico interno es alto se puede
producir transporte interno de partículas, produciéndose pequeños
conductos que al ampliarse desestabilizan el talud. esto es muy
común en suelos de carácter dispersivo (cantidad alta de iones de
Na presentes).
El movimiento del agua subterránea socava la arena fina, limos y
partículas sueltas de las cavidades subterráneas del talud,
debilitando así su estabilidad.
Flujo en las orillas de las corrientes.
Los deslizamientos en las orillas de los ríos representan un modo de
falla muy común de las riberas de los ríos y corrientes. (Affuso y
otros, 2000) presentan para un caso en Italia la variación del factor
de seguridad, de acuerdo a las variaciones en el nivel de agua,
incluyendo los efectos de presiones negativas
Efectos del Agua sobre el Suelo
Efectos del Agua sobre el Suelo




Erosión por exfiltración.
Cuando el agua subterránea aflora a la superficie del
terreno puede
producir el desprendimiento de las partículas de suelo
generando cárcavas. Las cárcavas que se forman al salir
el agua subterránea a la superficie del terreno actúan
como activadores de movimientos del talud.
Cuando en el avance de una cárcava de erosión
subsuperficial ésta captura un contacto con afloramiento
de agua subterránea, éste contacto trata de ampliarse
en un proceso de deslizamientos laterales progresivos.
Efectos del Agua sobre el Suelo
Las Carcavas en AMSS
Carcavas en AMSS
Carcavas en AMSS
Carcavas en AMSS
Que es una Cárcava?
Abarrancamientos formados en los
materiales blandos por el agua de
arroyada que, cuando falta una cobertura
vegetal suficiente, ataca las pendientes
excavando largos surcos de bordes vivos.
Palabras clave: Erosión, Corrientes de Agua,
Materiales Blandos, Cobertura suficiente
Como se forma una cárcava?

Hudson*, 1982, explica la formación y avance ilimitado de una
cárcava, mediante la fórmula de Manning, la cual relaciona el
gradiente y la rugosidad del terreno con la velocidad de flujo,
de manera que:
V = R2/3 S1/2/n


Una vez ha comenzado la cárcava, el canal es de sección más
angular y profunda que la original, es decir, aumenta R (Radio
hidráulico). El cauce esta libre de vegetación, de tal forma que
el coeficiente de rugosidad (n), disminuye.
A medida que la cabeza de la cárcava retrocede curso arriba es
mayor la altura de caída del agua. Dicho tramo es el que
experimenta por lo general una erosión más activa. El efecto
de cascada es el que erosiona el suelo ya que salpica y
arremolina contra el escarpe. La parte más baja del mismo se
erosiona, dejando la parte alta en saliente, hasta que cae
dando lugar a una cara vertical, momento a partir del cual todo
el proceso comienza de nuevo.
* Hudson, Norman, CONSERVACION DEL SUELO, 1982
Como se forma una cárcava?
•Para que la velocidad (V) permanezca constante se debe disminuir el
gradiente (S), o aumentar el coeficiente de rugosidad (n) mediante
establecimiento de vegetación. Esto es lo que ocurre casi
invariablemente, el gradiente (S) del lecho es más llano que el
original.
•Al comenzar la cárcava, los cambios se manifiestan en un aumento
del radio hidráulico R, disminución del coeficiente de rugosidad (n) y
una disminución probable del gradiente (S). En resumen, el efecto
general es que aumente la velocidad, razón por la cual, la erosión en
cárcavas se perpetúa así misma y no se auto corrige.
No todos los problemas son
cárcavas….


Otro problema frecuente en el pais es la
Profundización y Erosión Lateral en Cauces
y Ríos.
Esta es ocasionada por otros factores,
como la modificación de la topografía de
la corriente, la construcción de estructuras
dentro del cauce, cambios hidrológicos por
la urbanización y deforestación de la
cuenca.
Erosión Lateral en ríos
Erosión de ribera derecha de Río Cara Sucia, contiguo a Carretera
hacia Garita Palmera.
Como se amplia una Cárcava

Las aguas de escorrentía concentrada forman inicialmente surcos, los
cuales se profundizan por debajo de la cobertura vegetal.

Una vez se forma la cárcava de erosión ésta se va tornando más
profunda, y se produce ampliación lateral y hacia arriba.

El proceso continúa con la profundización y ensanchamiento del canal.

La cabeza de la cárcava se hace más alta y esta avanza talud arriba cada
vez más rápidamente, volviéndose prácticamente incontrolable.

Adicionalmente a la erosión propiamente dicha, se produce
desprendimiento lateral de pequeños bloques de suelo. La profundización
de la cárcava trae a su vez su ampliación y su avance hacia arriba. La
cabeza de la cárcava forma un escarpe cada vez más alto y lo mismo
ocurre lateralmente. Se presentan entonces deslizamientos de tierra en
estos taludes semiverticales.
Adicionalmente los taludes verticales tienden a
seguirse derrumbando por acciones
meteorológicas…..
El proceso no se estabiliza….

El proceso generalmente no es auto
controlable, sino que se perpetua en el
tiempo afectando cada vez más áreas.
Una vez se forma una cárcava, la erosión
progresa hacia aguas arriba con la acción
erosiva causada por el flujo concentrado
dentro de la cárcava y la inestabilidad
lateral
Condiciones que facilitan la
formación de Cárcavas en el AMSS
Suelo:
En San Salvador y sus alrededores
superficialmente predominan las cenizas
volcánicas procedentes de la erupción de la
caldera Ilopango en el siglo V d.C.
Obviamente se trata de un suelo joven, poco
consolidado y que en las cercanías a Ilopango
alcanza grandes espesores.
Los Suelos del AMSS


W. Hernandez (2004):
Los depósitos de flujos piroclásticos provenientes de la
erupción pliniana de la caldera de Ilopango, ocurrida 430
D.C. (Dull, R.A. et al. 2001), están distribuidos en casi
toda el área AMSS, y se caracterizan por ser masivos e
isótropos. Están compuestos por una matriz fina de
ceniza volcánica clara, constituida por fragmentos de
vidrio volcánico de composición riolítica, que contienen
pómez vesicular y líticos diseminados de tamaños
variados; los cuales no están soldados, por eso, sus
componentes son fácilmente erosionables cuando no
tienen una cubierta vegetal. La microfábrica constituida
por fragmentos muy angulares y curvilineales, de
tamaños variados con presencia importante de pómez,
bastante vesicular; son bien graduados y producen cierta
cohesión de esos depósitos que les favorece para
mantener la verticalidad de los taludes de esos depósitos
(Urbina y Melara, 1996).
Condiciones que facilitan la
formacion de Carcavas en el AMSS
Algunas propiedades de estos suelos son las
siguientes:
 Velocidad máxima permisible: 0.76m/seg (s.
Fortier&Scobey),para limos
 Gravedad Especifica: 2.26 a 2.50 (s. Rolo et al)
 Relación de Vacíos: 0.78 a 1.24,
 Peso Unitario: 10.80 a 14.98 kN/m3
 Succión: 335 a 508 kN/m3
 Phi=39º, cohesión = 30kPa.
Condiciones que facilitan la
formación de Cárcavas en el AMSS
Cambios Hidrogeológicos Urbanos:
La intervención humana del medio físico produce
cambios importantes en la hidrologia de las
áreas urbanas.
El manejo inadecuado de las aguas lluvias o
servidas, procesos de urbanismo etc, El principal
fenómeno es la ocurrencia de cárcavas de gran
tamaño conectadas o desconectadas al sistema
de drenaje.
Cambios Hidrogeológicos Urbanos
Estabilización de Cárcavas
Estabilización de Cárcavas
Las cárcavas son muy difíciles de estabilizar
y controlar, y para su estabilización se
deben controlar tres partes:
 Erosión en el fondo
 Erosión lateral o ampliación de la cárcava
 Erosión en la cabeza o avance hacia arriba
de la cárcava
Estabilización de cárcavas activas
1. Disminuir la velocidad y el caudal reduciendo el
gradiente.
2. Detener el flujo utilizando sistemas de represamiento.
3. Desviar el flujo hacia áreas no peligrosas.
4. Disipar la energía utilizando estructuras o aumentando
la sinuosidad y longitud del canal.
El principio fundamental del control de la erosión en
cárcavas es determinar la causa directa del proceso y el
mecanismo de desarrollo. El segundo principio es el
encontrar la forma de restaurar el balance y crear
condiciones para la estabilización del proceso.
Obras para el Control de Erosión en
Cárcavas
Torrenteras o derramaderos, cortacorrientes o contra cunetas
Durante la Construcción
Obras para el Control de Erosión en
Cárcavas
Derramaderos
Estructuras de
disipación al pie del
escarpe
Revestimiento de
taludes con
Vegetacion
Obras Permanentes de Control de
Erosion en Taludes.
Obras Permanentes de Control de
Erosion para tuberias.
Cortacorrientes en
Derecho de Via
Obras Permanentes de Control de
Erosión para tuberías.
Separacion de Cortacorrientes en funcion de la pendiente
Obras Permanentes de Control de
Erosión para tuberías.
Barreras Internas
Conclusiones



Las Cárcavas en el AMSS han ocurrido en una
zona geológicamente muy susceptible a
problemas de erosión.
La generación de las cárcavas ha obedecido en
su mayoría al colapso de las redes de aguas, las
cuales no fueron objeto de mantenimiento y
tampoco diseñadas contra los problemas de
erosión.
En el AMSS existen otros problemas que
técnicamente no son cárcavas, sino erosión de
las riberas de ríos y quebradas, que deben tener
un tratamiento distinto.
Recomendaciones



Deben modificarse los reglamentos de construcción de
sistemas de drenajes, incluyendo obras de protección
contra los problemas de erosión, y requerimientos para
las tuberías desde el punto de vista de resistencia
estructural y durabilidad.
Deben implementarse a nivel gubernamental unidades
de monitoreo y mantenimiento de las redes de agua, ya
que es mucho mas caro y complicadas las soluciones
cuando no se hacen a tiempo,
Es recomendable reforzar las zonas de aproximación y
las descargas mismas de las aguas lluvias en las zonas
con predominancia de tierra blanca, para evitar que
sigan ocurriendo estos problemas.