Los deslizamientos de tierra conllevan un importante potencial de pérdida de vidas y daños a la infraestructura integral. Por eso, los ingenieros geotécnicos dedican mucho tiempo y esfuerzo a prevenirlos, pero ¿cómo pueden ayudar el conocimiento y la comprensión, si ya se ha producido un deslizamiento de tierra?
En este caso, los ingenieros geotécnicos necesitan herramientas que les permitan comprender la causa del deslizamiento de tierra y las condiciones que pueden generar una mayor inestabilidad.
Un método utilizado para comprender los deslizamientos de tierra es el análisis numérico del talud fallido. Esto permite a los ingenieros geotécnicos explorar varios mecanismos de falla y desarrollar una hipótesis sobre las causas más probables del deslizamiento de tierra.
De esta forma, el análisis de estabilidad de taludes en 3D en GeoStudio es útil en el valle del río Thompson en Canadá, donde una alta concentración de deslizamientos de tierra afecta rutas de transporte importantes.
Aportar claridad a una ruta arriesgada
El río Thompson fluye a través de Columbia Británica central, desde Kamloops hasta Lytton, donde se encuentra con el río Fraser. El valle circundante es fundamental para el transporte, ya que la autopista Trans-Canada, el Ferrocarril Canadiense del Pacífico y el Ferrocarril Nacional Canadiense recorren el largo del río. Algunas partes del valle del río son anchas, mientras que otras son relativamente empinadas, debido al descenso del río. Los taludes laterales están en gran parte insaturados debido al clima árido de la región.
La estratigrafía regional estuvo influenciada por tres eventos de glaciación independientes, en los que el lecho rocoso quedó cubierto por depósitos glaciolacustres, sedimentos y residuos glaciofluviales (Sattler, 2022). Los depósitos glaciolacustres también incluyen capas de arcillas débiles que no se hinchan y que contribuyen a la inestabilidad, al actuar como superficies deslizantes.
Se han producido varios deslizamientos de tierra a lo largo del río Thompson debido a los taludes empinados, el nivel freático regional bajo y la presencia de capas de arcilla débiles. Uno de ellos, el deslizamiento de tierra de Ripley, está activo, lo que significa que continúa moviéndose, aunque a un ritmo muy lento de 2 mm a 82 mm por año (Soltanieh y Macciotta, 2022). En consecuencia, se han realizado varios estudios en el sitio para monitorear el deslizamiento y comprender las condiciones específicas que causan la inestabilidad.
Deslizamiento de tierra de Ripley desde arriba (créditos: Kelvin Sattler)
Una investigación sólida que utiliza múltiples herramientas.
Las investigaciones del sitio proporcionaron la información necesaria para crear un modelo en 3D del deslizamiento de tierra de Ripley. Los equipos recopilaron datos de detección y alcance de la luz (Light Detection and Ranging, LiDAR) para definir la topografía detallada de la superficie y, a la vez, realizar un mapeo geofísico y de formas del terreno, un análisis del subsuelo sólido y un programa de monitoreo de los instrumentos.
El Dr. Kelvin Sattler de Clifton Engineering Group creó un análisis de estabilidad detallado en PLAXIS LE como parte de su investigación doctoral. El propósito previsto de este modelo fue realizar un análisis de estabilidad de equilibrio límite e investigar la influencia de las condiciones cambiantes de la presión de agua de poro.
El Dr. Sattler y su equipo construyeron el modelo geomecánico en 3D original con datos LiDAR para definir la topografía del sitio. También interpretaron la estratigrafía del subsuelo sobre la base de los registros de perforaciones y mapas geofísicos, así como geológicos y geográficos. Por último, definieron las superficies piezométricas mediante los niveles medidos de los ríos y los datos existentes. Según el Dr. Sattler:
”El análisis del sitio del deslizamiento de tierra de Ripley fue un desafío debido a las condiciones complejas de presión de agua de poro y al deseo de representar con precisión la infiltración en la superficie del suelo, así como los cambios en los niveles del río. Queríamos asegurarnos de poseer una buena comprensión de cómo las condiciones no saturadas y la succión afectaban la estabilidad en el sitio
Los detalles de los análisis originales de estabilidad y filtración de PLAXIS LE del Dr. Sattler se ilustran en las siguientes imágenes.
Presiones de agua de poro simuladas de PLAXIS LE (semana uno)
Factor de seguridad crítico simulado de PLAXIS LE (semana uno)
Llevar el análisis a GeoStudio
Debido al retiro de PLAXIS LE (anunciado en 2023), recreamos el modelo numérico completo en GeoStudio para verificar los resultados. Esto incluyó lo siguiente:
- Análisis en 3D de la filtración del agua subterránea por elementos finitos (SEEP3D) para generar las condiciones del agua complejas.
- Análisis en 3D de la estabilidad de equilibrio límite (SLOPE3D).
La geometría en 3D de GeoStudio fue necesaria para acoplar estos dos tipos de análisis. Las superficies se adaptaron a superficies de malla importadas para representar la topografía y las superficies de contacto de las unidades estratigráficas, como se muestra a continuación.
Tenga en cuenta que, al realizar solo un análisis de equilibrio límite en 3D en GeoStudio, las geometrías pueden importar volúmenes de modelos geológicos (por ejemplo, desde Leapfrog o importación de archivos OBJ).
Importación de superficies de contacto, como mallas de fondo, en GeoStudio
Ajustar una superficie a la malla de fondo
El análisis de filtración utilizó una superficie piezométrica importada del sitio del proyecto para simular las condiciones iniciales del agua. De manera similar al modelo del Dr. Sattler, se definieron dos condiciones de borde clave para representar (1) el nivel del río medido a lo largo del tiempo y (2) la infiltración en la superficie del suelo, por encima del río.
Se utilizó un análisis inicial de infiltración en 1D para evaluar el balance de agua superficial y la infiltración correspondiente. Para ello, la condición de borde aplicada en la superficie del suelo evaluó las condiciones climáticas, lo que incluye la precipitación, la temperatura del aire, la humedad relativa y la evapotranspiración. La incorporación de estas condiciones puede ser fundamental para simular adecuadamente las condiciones de infiltración y no saturadas. El flujo de agua calculado en la superficie del suelo se aplicó como condición de borde sobre el nivel del río en el análisis de infiltración en 3D.
Definición del análisis de filtraciones de aguas subterráneas
Definición del análisis de estabilidad con cargas de sobrecarga de agua y superficie de deslizamiento completamente especificada.
Los resultados del análisis de filtración en 3D se utilizaron en el análisis de estabilidad en 3D para investigar la estabilidad a lo largo del tiempo dadas las condiciones cambiantes de la presión de agua de poro. Al igual que en PLAXIS LE, el método de búsqueda Cuckoo está disponible en SLOPE3D de GeoStudio. Este método se utilizó para comparar los resultados generales del análisis de GeoStudio con el modelo PLAXIS LE original. Además, el método de búsqueda completamente especificado también se utilizó en GeoStudio a fin de replicar la superficie de deslizamiento con un menor factor de seguridad calculado en comparación al del modelo original. Por último, una superficie débil representaba la presencia de las arcillas débiles e hinchadas en el sitio.
GeoStudio en acción
El análisis de filtraciones en 3D proporcionó resultados similares al modelo original del Dr. Sattler. El factor de seguridad varió con la presión de agua de poro; sin embargo, los resultados se mantuvieron cerca durante todo el periodo simulado. Esto apoya las observaciones del movimiento en curso en el sitio del deslizamiento de tierra de Ripley y corresponde a los hallazgos del Dr. Sattler. La variación máxima en el factor de seguridad crítico fue del 15 %, debido a la gama de condiciones de presión de agua de poro investigadas. El Dr. Sattler añadió lo siguiente:
”El análisis en 3D determinó que los cambios en la presión de agua de poro contribuyeron al menos en un 4 % al factor de seguridad general, mientras que el efecto de refuerzo del río aumentó el factor de seguridad en al menos un 11 %. En consecuencia, la pérdida de succión, junto con los bajos niveles del río, ocasionaría a la desestabilización del talud en el deslizamiento de tierra de Ripley.
Se realizaron observaciones similares al completar el modelo de GeoStudio, que destaca el mayor nivel de comprensión cuando se utilizan métodos de análisis en 3D a fin de capturar las complejidades de los deslizamientos de tierra naturales. El modelo de GeoStudio validó la observación que plantea como probable que el movimiento de deslizamientos de tierra de un año a otro esté relacionado con los cambios en las condiciones de la presión de agua de poro dentro de los suelos.
La superficie de deslizamiento completamente especificada sin optimización mostró una diferencia de menos del 0,36 % en el análisis PLAXIS LE.
La superficie completamente especificada con la configuración de optimización predeterminada tuvo menos del 5 % de diferencia con el análisis PLAXIS LE.
El método de búsqueda Cuckoo mostró un mecanismo de falla similar al de la superficie de deslizamiento completamente especificada con un factor de seguridad ligeramente menor.
Mejorar la comprensión
GeoStudio verificó el mecanismo de falla observado en el deslizamiento de tierra de Ripley y confirmó que el factor de seguridad crítico en el rango aplicado de condiciones de presión de agua de poro se mantuvo en uno o cerca de uno.
Las funcionalidades integrales utilizadas en GeoStudio para este análisis fueron las siguientes:
- La capacidad de acoplar fácilmente análisis de estabilidad y filtraciones en 3D.
- El uso de capas débiles para definir una discontinuidad.
- Los métodos de búsqueda disponibles: el método Cuckoo para investigar el área de falla crítica, así como superficies completamente especificadas para replicar los resultados de PLAXIS LE.
Este proyecto destaca los beneficios de utilizar métodos de análisis en 3D para comprender el comportamiento de un deslizamiento de tierra natural con componentes topográficos y de agua subterránea complejos, así como la integración perfecta de los productos 3D de GeoStudio con las capacidades previas de PLAXIS LE.
Referencias
Sattler, K. 2022. Succión variable y su efecto sobre la estabilidad en el deslizamiento de tierra de Ripley cerca de Ashcroft, Columbia Británica. Universidad de Saskatchewan (tesis doctoral).
Soltanieh, A. y Macciotta, R. 2022. Comprensión actualizada de la cinemática del deslizamiento de tierra de Ripley mediante el satélite de radar interferométrico de apertura sintética (Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR). Geosciences 12(8): 298. https://doi.org/10.3390/geosciences12080298
Agradecimientos
Las siguientes organizaciones brindaron apoyo a la investigación mencionada anteriormente que se realizó sobre el deslizamiento de tierra de Ripley: el Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, NSERC), Programa de Investigación de Peligros del Suelo de los Ferrocarriles, Transport Canada, el Servicio Geológico de Canadá, CN y CPKC.