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1 HERRAMIENTAS DE BIOINGENIERÍA PARA LA ESTABILIZACIÓN DE TALUDES EDGAR MAURICIO VARGAS ROJAS UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIAS PROGRAMA INGENIERÍA CIVIL NEIVA 2023 2 HERRAMIENTAS DE BIOINGENIERÍA PARA LA ESTABILIZACIÓN DE TALUDES EDGAR MAURICIO VARGAS ROJAS Informe Final de práctica social, empresarial y solidaria presentado como requisito para optar al título de INGENIERO CIVIL Director CAMILO ANDRADE CARDONA Coodirector Dr. DANIEL RICARDO DELGADO UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIAS PROGRAMA INGENIERÍA CIVIL NEIVA 2023 3 NOTA DE ACEPTACIÓN Presidente del Jurado Jurado Jurado Neiva, Enero de 2023 4 AGRADECIMIENTOS A Dios por el don de la vida. A mi madre Alba Nelly Vargas Rojas por confiar y estar siempre pendiente en cada paso de mi carrera para que mi sueño fuera posible, a mi abuela Maria Nelly Rojas por la sabiduría y el cariño compartido, que siempre han impulsado mis compromisos académicos y amigos por apoyarme siempre que lo necesité. Al personal docente y administrativo de la UCC por impartirme sus conocimientos, especialmente al Doctor Daniel Ricardo Delgado y al magister Camilo Andrade Cardona, por estar en mi proceso del trabajo de grado. 5 CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN 10 1. OBJETIVOS 11 1.1 GENERAL 11 1.2 ESPECÍFICOS 11 2. METODOLOGÍA 12 3. MARCO TEÓRICO 13 3.1 TIPO DE FALLA 14 4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA BIOINGENIERÍA DEL SUELO 16 4.1 VENTAJAS DE LA BIOINGENIERÍA DEL SUELO 16 4.2 DESVENTAJAS DE LA BIOINGENIERÍA DEL SUELO 17 5. MÉTODOS DE BIOINGENIERÍA PARA ESTABILIZACIÓN DE TALUDES 19 5.1 MECANISMOS DE ESTABILIZACIÓN DE SUELOS 23 6. COMPORTAMIENTO DE RAÍCES DE PLANTAS EN EL SUELO 28 6.1 PRUEBAS DE CAMPO O IN SITU 28 6.2 PRUEBAS DE LABORATORIO 28 7. MODELAMIENTO NUMÉRICO DE RAÍCES 30 6 8. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD CON SISTEMA RAÍZ 38 8.1 ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES INFINITOS 38 8.2 ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES FINITOS 39 9. CONCLUSIONES 41 BIBLIOGRAFIA 43 7 LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Talud Natural 13 Figura 2. Talud Artificial 13 Figura 3. Tipos de falla en un talud 15 Figura 4. Diferentes técnicas de ingeniería biotécnica 20 Figura 5. Cárcavas y rejillas 21 Figura 6. Fotografía de deslizamiento de talud natural en el municipio de Arbeláez, Cundinamarca. 22 Figura 7. Proceso de estabilización de talud 22 Figura 8. Fotografía del taluz después de la estabilización con bioingeniería, 22 Figura 9. Sección típica de una pendiente con diferentes componentes del Sistema suelo-raíz. 24 Figura 10. Curva de Fuerza de extracción vs Desplazamiento 25 Figura 11 (a) Deformación en la zona de corte, (b) Barra deformada 32 Figura 12. Modos de falla de los postes vivos 35 Figura 13. Diferentes estructuras radiculares idealizadas en planta 37 8 RESUMEN Una ecológica y respetuosa opción con el medio ambiente a los procedimientos convencionales de estabilización de taludes y control de la erosión es la bioingeniería del suelo, se han desarrollado varios métodos, como la dispersión, la estratificación de arbustos, las cestas de plantas, entre otros, para mejorar la estabilidad de la pendiente del suelo, prevenir la erosión del suelo y mejorar la estética de un proyecto utilizando vegetación y materiales inertes, sin embargo, el control limitado de las propiedades de las plantas y las complejas interacciones de las raíces de las plantas con el suelo y otros materiales plantean desafíos para el diseño preciso de las técnicas de bioingeniería del suelo. El desarrollo de métodos de bioingeniería implica una evaluación exhaustiva de las propiedades de las raíces y del suelo, se han desarrollado varios métodos para el análisis de raíces y sistemas radiculares en suelos que pueden ayudar a comprender mejor este complejo fenómeno. Este artículo presenta una revisión de varios aspectos de los métodos biotecnológicos en la estabilización de taludes de suelo, especialmente los métodos existentes de modelado físico, pruebas de laboratorio y métodos numéricos para evaluar los efectos de los sistemas de raíces en taludes, se discuten brevemente los diferentes tipos de daños al suelo y al sistema radicular, no adhesivo, no estresado y degradado. Esta evaluación será útil al diseñar medidas de bioingeniería para la estabilización de taludes o el control de la erosión. Palabras clave. Bioingeniería. Estabilidad de pendientes. Sistema radicular. Medidas correctoras. Resistencia de la raíz. Factor de seguridad. Infiltración. 9 RESUMEN An ecological and environmentally friendly option to conventional slope stabilization and erosion control procedures is soil bioengineering, several methods have been developed, such as dispersal, stratification of shrubs, plant baskets, inter alia, to improve soil slope stability, prevent soil erosion and improve the aesthetics of a project using vegetation and inert materials, However, limited control of plant properties and complex interactions of plant roots with soil and other materials pose challenges for the precise design of soil bioengineering techniques. The development of bioengineering methods involves a thorough evaluation of root and soil properties, several methods have been developed for root analysis and root systems in soils that can help to better understand this complex phenomenon. This article presents a review of several aspects of biotechnological methods in soil slope stabilization, especially existing methods of physical modeling, laboratory tests and numerical methods to evaluate the effects of root systems on slopes, the different types of damage to the soil and the root system, non-adhesive, not stressed and degraded are briefly discussed. This assessment will be useful when designing bioengineering measures for slope stabilization or erosion control. Keywords. Bioengineering. Slope stability. Root system. Corrective measures. Root resistance. Safety factor. Infiltration. 10 INTRODUCCIÓN La bioingeniería del suelo es una ciencia que se ocupa del uso de la vegetación, combinando la ingeniería, biología y ecología para aplicaciones estabilizadoras en el suelo, que involucran el control de la erosión, movimiento de masas y similares, con la intención de crear una estructura viva. El uso de la vegetación para proteger los taludes del suelo y controlar la erosión no es una técnica nueva, esta técnica se ha utilizado en diferentes partes del mundo, como Asia y Europa, desde hace bastante tiempo, no obstante, no hay una base científica para la investigación y el diseño adecuado para las aplicaciones en proyectos de ingeniería. Un ejemplo de una técnica biotecnológica es el uso de árboles en combinación con pequeños muros de contención para soportar pendientes de suelo inestables, en este método, el árbol se utiliza para brindar estabilidad adicional porque las raíces pueden fijar la masa de suelo suelto en una capa sólida o fortalecer la capa de suelo suelto y reducir la deformación, proporcionar drenaje superficial, evitar el movimiento de desechos, reducir la presión del agua a través del proceso de absorción, humedad, entre otros. A pesar de algunos problemas con el uso de la vegetación, actualmente se dispone de varios programas y herramientas que pueden ayudar en la selección de un método de bioingeniería apropiado como alternativa a los métodos convencionales de protección de taludes y control tradicionalde la erosión del suelo. Se propondrán medios de estabilización y se analizarán la efectividad de estos. 11 1. OBJETIVOS 1.1 GENERAL El objetivo general de este trabajo de grado es el de aumentar la estabilidad de taludes a través de una investigación sobre las diversas maneras de estabilizar por medio de la vegetación, para prevenir la erosión del suelo y mejorar el aspecto estético de los proyectos de ingeniería civil en los que se puedan aplicar. 1.2 ESPECÍFICOS • Identificar los mecanismos de falla más frecuentes en los taludes. • Recopilar información de los métodos más utilizados para la estabilización de taludes con vegetación. • Analizar los mecanismos de la estabilización de suelos. • Comprender el funcionamiento las raíces en la estabilización. 12 2. METODOLOGÍA Para optar por una técnica de bioingeniería, es fundamental comprender los siguientes aspectos: tipo de material del suelo, clima de la zona, fauna y flora del terreno, entre otros, debido a esto, a lo largo del presente trabajo, se dan alternativas para diferentes fines de estabilidad, como también interpretar la relación entre el suelo y la vegetación, por medio de sus raíces. Esto se hace posible a la información nacional e internacional, tomada de diferentes documentales, comentados de la experiencia de profesionales, técnicos y demás personas conocedoras de la estabilización de taludes por medio de la vegetación, como también de artículos y demás información en la web, que ayuden a enriquecer este trabajo de investigación, finalmente tras la información tomada y la interpretación de los procesos, se llevarán acabo las conclusiones respecto a las variables de la estabilización de taludes con vegetación. 13 3. MARCO TEÓRICO Para hablar de estabilización de taludes, se debe tener el contexto general de lo que un talud puede sufrir a lo largo del tiempo, entendiéndose por talud a cualquier superficie inclinada con respecto a la horizontal que adoptan las estructuras de tierra, los taludes pueden ser naturales; los cuales no intervienen la mano del hombre, o pueden ser artificiales; los cuales sí conllevan modificaciones del relieve natural del terreno ya sea para construir una vía, una estructura defensiva o similares obras de ingeniería. La estabilidad es la seguridad del suelo contra el movimiento de masas o falla interna, los sistemas de estabilización para minimizar el peligro de los taludes, se dan respecto a las características del tipo de suelo, los requerimientos de la actividad del proyecto y por características del medio de trabajo o factores personales, a continuación, se ilustrará el talud natural en la Figura 1 y el talud artificial en la Figura 2. Figura 1. Talud Natural Fuente: Elaboración propia Figura 2. Talud Artificial Fuente: Elaboración propia 14 En la modificación del relieve de un terreno para estabilizarlo, se obtienen los terraplenes; los cuales son las superficies planas, y los taludes modificados, los cuales dejan al suelo sin vegetación, desprotegidos y expuestos a la erosión, perdiendo las partículas del suelo con riesgo de un deslizamiento, por ende es importante contar con alternativas que mejoren la caracterización mecánica de los materiales, la evaluación de la presión de poros y el agua retenida dentro de los taludes, que se pueda definir realmente cuál es el problema que está teniendo el talud o cuál es el problema al cual se debe enfrentar. En Colombia se tiene la NSR10, en el título H el componente geotécnico, existe escenarios estáticos, seudo estáticos y dinámicos, factores a los cuales se debe llegar en un corte permanente (F.S. de 1,5 en estático, 1,05 en dinámico) y en un corte temporal (F.S. de 1,25 en estático y por lo menos 1 para el equilibrio límite en seudo estático), sin embargo, no existe requerimiento para un evento excepcional pluviométrico. Remoción de masas El movimiento de masas es el desplazamiento del terreno, el movimiento puede ser repentino o de largo plazo, generalmente se pueden dar por lluvias contínuas saturando el suelo, provocando desplomes, flujos, y diversas fallas en un talud, al haber alta intensidad en la lluvia y poca cobertura de vegetación, la infiltración del agua hace que las partículas del suelo se saturen aumentando su peso y perdiendo su cohesión haciendo que se separen y por efectos de la gravedad haya un deslizamiento pendiente abajo. 3.1 TIPO DE FALLA Se puede identificar el problema de estabilización identificando el tipo de falla, los cuales pueden ser, volcamientos, deslizamiento de bloques, deslizamiento en cuña, rotura por pandeo, deslizamiento planar o circular, la identificación del posible tipo de falla, se hace para comprender cómo se comporta la ladera, para antes de intervenir en ella, poder controlar el terreno, ya que las laderas son dinámicas y responden a diferentes fenómenos de esfuerzo, tectónica de placas, condiciones pluviométricas, generando una dinámica en las laderas, si no se tiene en cuenta el tipo de movimiento existente en estas, cualquier actividad que se desarrolle va a provocar una afectación. A continuación, en la Figura 3 se ilustran los tipos de falla en un talud.1 1 ARIAS T, BENJAMIN (2012) Deslizamineto en taludes inducidos por altas precipitaciones en vías intermunicipales en Colombia. 15 Figura 3. Tipos de falla en un talud Fuente: Elaboración propia Falla circular: es un deslizamiento de forma rotacional, el cual se desarrolla en una superficie de curva a lo largo del talud. Falla planar: es un deslizamiento de tendencia recta, el cual se desarrolla en una superficie de falla plana. Falla de pandeo: es una rotura que se da por excesiva altura del talud, a menudo en los taludes de cortes de minería, al ser excavados paralelamente a la estratificación, por ende disminuye la cohesión del suelo y se desprende. Falla en cuña: es un deslizamiento generalmente en tres planos discontinuos, esta discontinuidad está dada por la línea de intersección de la estratificación, fallas o diaclasas que tenga el talud. Deslizamiento de bloques: es un deslizamiento talud abajo, de masas de tierra o rocas, ya sea por infiltración de agua en el talud fomentando una pérdida de resistencia del terreno o por una falla según la estratificación. Falla de vuelcos: es una fractura de los bloques, implicando una rotura con movimiento rotacional de manera paralela a la inclinación del talud.2 2 ARIAS T, BENJAMIN (2012) Deslizamineto en taludes inducidos por altas precipitaciones en vías intermunicipales en Colombia. 16 4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA BIOINGENIERÍA DEL SUELO Los métodos de bioingeniería del suelo cuentan con las siguientes ventajas: 4.1 VENTAJAS Incrementa la firmeza de la pendiente del suelo: las raíces de las plantas estabilizan el suelo y retienen las remociones de taludes poco profundos, un mejoramiento en la firmeza del suelo se puede representar por un aumento de adherencia o ángulo de fricción, reduciendo la presión de poros del agua. Evita la erosión: las finas raíces de las plantas sujetan el suelo y perturban la erosión, igualmente, evitan el movimiento de sedimentos finos y reduce la escorrentía superficia. Ecología: sirve como habitad para varios animales salvajes, regulando la temperatura y la humedad del suelo donde se encuentra la vegetación, lo que impulsa el crecimiento de diferentes tipos de organismos, de igual forma, enriquece el aspecto estético de los proyectos al adaptarse al paisaje auténtico y evitar daños en zonas verdes cercanas, las técnicas de bioingeniería del suelo, como la hidrosiembra, también se utilizan para mejorar la apariencia de las pendientes rocosas expuestas (mejorarla estética)3. Economía: demanda un costo inicial muy bajo, no obstante, en periodos posteriores, la eficacia de la técnica de bioingeniería depende de la atención y mantenimiento. Hidrología: las plantas juegan un papel crucial en la modificación de la hidrología de un sitio en particular, las hojas de las plantas interceptan la lluvia y provocan la evapotranspiración, las raíces de las plantas absorben la humedad del suelo, y por lo tanto reducen la presión intersticial o presión de poros de agua (que es un factor desencadenante del movimiento del suelo en una pendiente)4. Aumenta la estabilidad con el tiempo: las técnicas de bioingeniería involucran el uso de materiales vivos, por lo tanto, toman algún tiempo para resistir las cargas o movimientos del suelo, a pesar de ello, una vez establecidas, las raíces se propagan a gran profundidad con el tiempo, y así, mejoran la estabilidad de la pendiente del suelo. 3 PRETI F, GIADROSSICH F (2009) Refuerzo de raíces y estabilización de bioingeniería de taludes porEscoba española (Spartium junceum L.) 17 4.2 DESVENTAJAS DE LA BIOINGENIERÍA DEL SUELO Zona de influencia de la raíz limitada: las raíces de las plantas solo pueden alcanzar una profundidad de unos pocos metros (2-3 m), por lo que la bioingeniería del suelo no se puede utilizar para evitar la migración profunda del suelo5. Efecto del viento: El viento es decisivo en la estabilidad de la pendiente del terreno, especialmente cuando la pendiente está cubierta de árboles, los árboles absorben las cargas del viento y pueden colocar cargas en las pendientes debido a la interacción del árbol con el viento, sin embargo, la magnitud de la carga del viento es muy pequeña en comparación con otras fuerzas de empuje, igualmente, los árboles caídos después de una tormenta pueden interrumpir el funcionamiento normal de los vehículos. Efecto en las estructuras cercanas: frecuentemente las raíces de los árboles dañan las estructuras cercanas, como cimientos, muros de contención, o estructuras similares. En algunos casos, incluso pueden provocar la falla y destrucción de estas estructuras. Período limitado de asentamiento: establecer vegetación en el momento adecuado (generalmente durante la hibernación) es fundamental para garantizar una buena supervivencia, por tanto, el éxito de un proyecto de bioingeniería de suelos depende de: planificación cuidadosa. Complejidad de diseño: es difícil desarrollar un proyecto de bioingeniería por cuantificar las interacciones entre el suelo y las plantas, por lo tanto, algunos investigadores incluso han aplicado un factor de seguridad de 8 al diseñar pendientes de bioingeniería. Mayor permeabilidad: las plantas endurecen la superficie del suelo y mejoran la infiltración del agua. Esta mayor infiltración puede reducir la estabilidad de la pendiente del suelo6. Control de calidad: el éxito de un proyecto de bioingeniería depende de la calidad del trabajo durante la instalación y el mantenimiento. Para materiales inertes, se puede usar un alto factor de seguridad para compensar el bajo rendimiento, pero la bioingeniería no puede7. 5 MAFIAN S, HUAT BBK, GHIASI V (2009) Evaluación de teorías de raíces y propiedades de resistencia de raíces en la estabilidad de taludes. Eur J Sci Res 30(4):594–607 6 U. Católica (2016). manual de obras de bioingenieria en zonas de laderas 7 MICKOVSKI SB, HALLETT PD, BRANSBY MF et al (2009) Refuerzo mecánico del suelo por raíces 18 Tasa de estabilización lenta: la vegetación no estabiliza el suelo inmediatamente después de la colocación, las raíces tardan un tiempo en desarrollarse y fortalecer el suelo8. Consideraciones ambientales: las propiedades del suelo, es decir, el pH, las concentraciones de nutrientes y metales, deben estar dentro de los límites aceptables. Las características del suelo y las condiciones ambientales pueden limitar el uso de ciertas especies de plantas y prácticas en una determinada pendiente, también se necesitan fertilizantes o diferentes prácticas agrícolas para facilitar el crecimiento9. La textura del suelo y la dirección de la pendiente también juegan un papel importante en la selección de técnicas de biocultivo apropiadas. Naturaleza específica del sitio: antes de desarrollar un proyecto de bioingeniería, es necesario realizar un estudio detallado de todos los parámetros que pueden afectar la estabilidad de los suelos en pendiente antes y después de la instalación de la vegetación. Efectos negativos en taludes rocosos: la presencia de vegetación puede tener un efecto perjudicial en taludes rocosos e incluso provocar el derrumbe de taludes al reducir la resistencia existente del macizo rocoso. Las raíces de las plantas pueden penetrar las grietas existentes en la masa rocosa y ensancharlas, incluso creando grietas secundarias. 8 HOWELL JH, SANDHU SC, VYAS N et al (2006) Introducing bio-engineeringa la red de carreteras de Himachal Pradesh. J Indian Roads Congr 67(3):84. W07025 (1–11) 9 PRICE DG (2008) Ingeniería geológica: principios y práctica. Springer, Nueva York 19 5. MÉTODOS DE BIOINGENIERÍA PARA ESTABILIZACIÓN DE TALUDES Para aumentar la estabilidad de la pendiente del suelo y controlar la erosión del suelo se han desarrollado varias técnicas de bioingeniería, entre ellas están: Fajinas: inicialmente se cavan trincheras y se colocan fajinas de esquejes vivo de ramas sobre las trincheras, se utilizan postes de madera o clavijas de acero para sujetar las fajinas, después de fijar las fajinas en su posición, la zanja se rellena con tierra. Estas fajinas son ramas de 0,2 m y 0,4 m de diámetro, con longitudes de 2 m a 9 m (Figura 4. a). Distribución de surco: esta técnica es similar a la anterior de fajinas, pero con la diferencia de la adición de uno o dos árboles pequeños con raíces junto a las fajinas de material vivo (Figura 4. b). Cercas de zarzo: en este método, se produce una cerca utilizando postes verticales de madera y esquejes vivos de ramas que se tejen alrededor de los postes, los extremos de estos esquejes se introducen en terreno para la germinación (Figura 4. c). Construcción de colchones de arbustos: en esta técnica, se esparcen esquejes vivos de ramas o tallos de una planta, por toda la pendiente y se fijan en sus extremos por medio de postes, fajinas o clavijas de madera, se utiliza una capa de tierra para cubrir las ramas y así poder germinar (Figura 4. d). Método con geotextil: esta técnica involucra utilizar geotextiles junto con la vegetación, el geotextil se coloca sobre el talud, y las plántulas se siembran sobre el talud. El geotextil inicialmente protege a la planta pequeña (retoños) y luego se descompone cuando el árbol está completamente maduro (Figura 4. e). Empalizadas con vegetación: se utiliza especialmente en el caso de una cárcava en forma de V, se forma una empalizada colocando esquejes vivos uno al lado del otro por todo el barranco y la parte superior de los esquejes se amarra a una barra horizontal (viva o muerta), uniendo los dos lados del deslizamiento en forma de cárcava (Figura 4. f). Capas de ramas en cárcavas: en este método se ponen las plántulas en forma de un pez espina a lo largo de la cárcava. Este colchón de plantas se sostiene con barreras horizontales que une los lados de la cárcava (figura. 5. a). Rejillas vivas para taludes: aquí, los esquejes vivos se colocan junto a un marco de postes paralelos o entrecruzados de madera, hormigón, metal o plástico. Adicionalmente, se realiza una siembra para aumentar la estabilidad de taludes. 20 Figura 4. Diferentes técnicas de ingeniería biotécnica (a) Fajinas, (b) Estrucutra de surco, (c) Cercas de zarzo, (d) Construcción de colchones de arbustos, (e) Técnica que involucra geotextil, (f) Empalizadas con vegetación10. Fuente: Elaboración propia Construcción de cordón: enesta técnica, los escalones se construyen y cubren con palos de árboles muertos (colocados en diagonal) y ramas de coníferas, luego se cubre esta superficie con tierra y esquejes vivos plantados en la terraza (Fig. 5. c). Construcción de cercas de varias capas: este método construye terrazas donde las plantas con raíces vivas se colocan una al lado de la otra, posteriormente las plantas se cubren con tierra aproximadamente dos tercios de su longitud (Figura 5. d). Construcción de capas de matorral: En este método, las terrazas empinadas se construyen y cubren con cortes directos en forma de cruz, de manera que solo una cuarta parte del corte sobresale por encima del talud. Posteriormente, esta terraza es cubierta con tierra, la instalación de estacas brinda estabilidad inmediata al talud en este método, mientras que el enraizamiento estabiliza la pendiente a largo plazo (Figura 5. e). Construcción de capas de arbustos: Este método es similar a la construcción de capas de arbustos. La única diferencia es que junto con las plántulas se añaden plantas sanas con raíces vivas (Fig. 5. f). 10 HOWELL JH, SANDHU SC, VYAS N et al (2006) Introducing bio-engineeringa la red de carreteras de Himachal Pradesh. J Indian Roads Congr 67(3):84. W07025 (1–11) Fajinas Geotextil 21 Figura 5. Cárcavas y rejillas (a) Capa de ramificación en cárcavas, (b) Rejillas vivas de pendiente, (c) Construcción de cordón, (d) Construcción de capas de seto, (e) Construcción de capa de matorral, (f) Construcción de la capa de cepillo de cobertura11. Fuente: Elaboració propia Colocación de esquejes, plantaciones de juntas de pared, muros de piedra con vegetación y pilas de rocas: este método implica la colocación de esquejes vivos de plantas verticalmente en el suelo, ya sea solos o en combinación con muros de piedra, de modo que una cuarta parte del corte sobresalga más allá de la superficie. Construcción de muros de cuna con capas de ramas: en este método, se construye un muro de cuna usando madera, concreto, acero o material plástico. Durante el relleno del suelo dentro de la pared, se insertan capas de esquejes vivos de plantas en un ángulo de 10. La longitud de los cortes debe ser suficiente para que una parte del corte quede adherida al suelo existente, mientras que unos 0,25 m de corte sobresalgan del muro. Gaviones con vegetación: en este método, los recortes vivos se insertan dentro y entre las cajas de gaviones, durante su construcción, los esquejes vivos desarrollan raíces después de algún tiempo y mejoran la estabilidad. Es importante destacar que una combinación de diferentes especies de plantas es mejor para aumentar la estabilidad del talud de un suelo. 11 HOWELL JH, SANDHU SC, VYAS N et al (2006) Introducing bio-engineeringa la red de carreteras de Himachal Pradesh. J Indian Roads Congr 67(3):84. W07025 (1–11) 22 Ejemplo de estabilización de taludes: El problema que se dió en el terreno, fue el deslizamiento de un talud natural, afectando la vía de circulación, un problema que afectó a la comunidad por alrededor de 5 años de constantes deslizamientos. Figura 6. Fotografía de deslizamiento de talud natural en el municipio de Arbeláez, Cundinamarca. Fuente: IDINGER Se realizó la visita al lugar por la entidad de la CAR, a los 10 meses de la visita se defininió un convenio con la Alcaldía de Arbeláez, posterior al convenio en 3 meses se terminó el proceso de la estabilización. Figura 7. Proceso de estabilización de talud Figura 8. Fotografía del taluz después de la estabilización con bioingeniería, Finalmente se logra estabilizar el talud por medio de cercas de guadua, de los materiales de la finca con vegetación plantada en las terrazas estabilizadoras. 23 5.1 MECANISMOS DE ESTABILIZACIÓN DE SUELOS La vegetación mejora la estabilidad de los suelos en pendiente tanto mecánica como hidrológicamente, aumentando la resistencia en forma de agarre por las raíces, reduciendo la presión de poros de agua, la masa del suelo debido a la succión, la humedad, disminuyendo la escorrentía superficial al atrapar la lluvia, entre otros 12, así mismo, las raíces que atraviesan la superficie de la falla actúan como un refuerzo de tracción, mejorando aún más la estabilidad del suelo en pendientes pronunciadas, muchos estudios de casos han demostrado que las pendientes con vegetación son estadísticamente menos sensibles que las pendientes sin vegetación. Los árboles caídos reducen la estabilidad del talud y lo hacen susceptible a fuertes movimientos, no obstante, este fenómeno no ocurre inmediatamente después de la caída del árbol porque es un proceso lento, el desplazamiento de masa ocurre cuando las raíces se pudren y pierden fuerza, así mismo, la tala induce la atracción de la arcilla, que absorbe rápidamente la humedad y se ablanda, contribuyendo así al movimiento de masas. La figura 7 muestra una sección transversal común de un sistema de raíces del suelo con diferentes componentes de la fuerza que actúa sobre él. La tabla 1 indica los mecanismos de relación suelo-planta y los efectos positivos y negativos de las plantas en la estabilidad de taludes. El aumento de la resistencia en la pendiente del suelo causado por la vegetación suele expresarse como adhesión de raíces o ángulo de fricción aparente, la adhesión de las raíces se debe a la fuerza de succión ejercida por las raíces y la capacidad de las raíces para retener las partículas del suelo, es más pronunciado en pastos y arbustos en suelo suelto que en árboles. Las densidades de raíces suelen ser poco profundas, porque la expansión superficial de las raíces se produce a poca profundidad, la presencia de raíces primarias mejora el ángulo de fricción aparente del suelo13, teniendo en cuenta también la medida que aumenta el contenido de biomasa, la resistencia al corte del suelo aumenta linealmente, además, las raíces aumentan la plasticidad del suelo y, por lo tanto, pueden mostrar fallas reales en las pendientes del suelo. El refuerzo de tracción dado por las raíces de los árboles contribuye significativamente a la estabilidad del talud, dicho esfuerzo depende de varios factores, como las propiedades de: las raíces; número, tamaño, forma, dirección de las raíces, y el área de esta, según el módulo de elasticidad, la resistencia a la tracción, el suelo; según su resistencia al corte y la reacción de la subrasante. 12 MAFIAN S, HUAT BBK, GHIASI V (2009) Evaluación de teorías de raíces y propiedades de resistencia de raíces en la estabilidad de taludes. Eur J Sci Res 30(4):594–607 24 Figura 9. Sección típica de una pendiente con diferentes componentes del sistema suelo-raíz. Fuente: Elaboración propia Tabla 1. Efecto de la vegetación en la estabilidad de taludes N° Mecanismos involucrados Influencia Mecanismos Hidrológicos 1 La intercepción de la lluvia por el follaje, causando pérdidas de evaporación y absorción que reducen la lluvia disponible para la infiltración. Beneficioso 2 Las raíces extraen la humedad del suelo que se pierde en la atmósfera a través de transpiración, lo que lleva a una reducción en la presión del agua intersticial. Beneficioso 3 Los tallos y las raíces aumentan la rugosidad de la superficie del suelo y la permeabilidad de este, lo que conduce a una mayor capacidad de infiltración. Adverso 4 El agotamiento de la humedad del suelo puede conducir a la desecación del agrietamiento del suelo, resultando en una mayor capacidad de infiltración. Adverso 25 Continuación tabla 1 Mecanismos mecánicos 5 Las raíces refuerzan el suelo y aumentan su resistencia al corte. Beneficioso 6 Las raíces de los árboles pueden anclarse en estratos firmes y proporcionar apoyo al manto del suelo de manera de apuntalamiento y arqueamiento. Beneficioso 7 El peso de los árboles sobrecarga lapendiente y aumenta el esfuerzo normal y el componente de fuerza cuesta abajo. Adverso/ Beneficioso 8 La vegetación expuesta al viento transmite fuerzas dinámicas al talud. Adverso 9 Las raíces retienen las partículas del suelo en este y así, reducen la susceptibilidad a la erosión. Beneficioso Fuente: elaboración propia Estos parámetros se ven afectados por variaciones espaciales y temporales, la cantidad de refuerzo que las raíces proporcionan al suelo depende de parámetros como la resistencia a la extracción de raíces y la estructura de estas 14, la resistencia al arranque de las raíces en el suelo depende de factores como el tipo de suelo, el tipo de raíz, entre otros aspectos. Figura 10. Curva de Fuerza de extracción vs Desplazamiento (a) sin ramas, (b) con ramas. Fuente: Elaboración propia La figura 10 muestra curvas típicas de fuerza-desplazamiento de extracción para raíces con y sin ramificación, se puede ver que la presencia de raíces ramificadas afecta en gran medida el comportamiento de extracción, en ausencia de ramificación, el sistema radicular falla por simple tracción y se observa un pico 14 BRANSBY MF, DAVIES MCR, MICKOVSKI SB et al (2006) Estabilización de pendientes por refuerzo de vegetación 26 distinto en la curva de tensión-desplazamiento (Fig. 10a), mientras que con la ramificación ocurre una falla progresiva, hay ramas rotas y múltiples espigas observado en las curvas fuerza-desplazamiento de extracción del apartado (b) 15, por lo tanto, durante la prueba de tracción, la falla puede ocurrir debido a una falla por tracción en la raíz principal. La distribución de raíces juega un papel importante en la estabilidad de las pendientes del suelo, sin embargo, es difícil cuantificar el efecto de la distribución de raíces, ya que depende de una gran cantidad de parámetros, como las condiciones del suelo, el medio ambiente, también depende del tipo de planta; por ejemplo, las raíces de las hierbas se clasifican en enraizamiento grueso, denso o mixto según la extensión vertical y lateral de las raíces. De manera similar, las raíces de los árboles o plantas leñosas se pueden dividir en raíz plana, raíz de corazón y raíz primaria de acuerdo con la dirección y distribución de las diferentes partes de la raíz16, los efectos de la calidad de la vegetación pueden tener efectos favorables o desfavorables sobre la estabilidad del talud del suelo, dependiendo de la ubicación de la vegetación dentro del talud. La presencia de vegetación espesa en la punta aumenta la estabilidad, mientras que su presencia a cierta altura puede aumentar la fuerza motriz, las plantas (especialmente las raíces) también pueden reducir la presión del agua intersticial y la calidad del suelo al absorber agua, no obstante, la contribución de las plantas en la reducción de la presión del agua intersticial es muy pequeña en comparación con otros mecanismos. El monitoreo de la presión del agua intersticial suele ser muy difícil debido a las grandes fluctuaciones estacionales en los niveles de agua, de igual forma, la succión generada dentro del suelo depende en gran medida de la densidad de raíces, a medida que aumenta la densidad de raíces, la presencia de microporos en el suelo desecha las raíces, lo que dificulta la generación de succión del sustrato. Algunos investigadores incluso argumentan que los efectos hidrológicos deben ignorarse al evaluar la estabilidad de taludes, ya que estos mecanismos no están disponibles en condiciones extremas, como lluvia intensa, aunque algunos de ellos contienen componentes hidrológicos en los modelos de estabilidad de taludes, a pesar de su variabilidad espacial y temporal17. La presión del agua intersticial en el suelo también se reduce por la evapotranspiración, sin embargo, en algunos casos, 15 BRANSBY MF, DAVIES MCR, MICKOVSKI SB et al (2006) Estabilización de pendientes por refuerzo de vegetación 16 HOWELL JH, SANDHU SC, VYAS N et al (2006) Introducing bio-engineeringa la red de carreteras de Himachal Pradesh. J Indian Roads Congr 67(3):84. W07025 (1–11). 17 POLLEN-BANKHEAD N, SIMON A (2010) Efectos hidrológicos e hidráulicos de las redes de raíces ribereñas en la estabilidad de las riberas 27 la evapotranspiración puede hacer que la arcilla se expanda y se contraiga, el efecto de la evapotranspiración también es muy limitado porque depende de los cambios estacionales, por ejemplo, en otoño, la tasa de evapotranspiración disminuye a medida que las plantas pierden sus hojas18. Está claro que tanto los mecanismos mecánicos como los hidrológicos dependen de varios parámetros, de la misma manera, se ha encontrado que los componentes mecánicos e hidrológicos del refuerzo de raíces a veces se anulan entre sí, por lo tanto, es importante tener una comprensión clara de cada mecanismo antes de incorporarlos al diseño de proyectos de bioingeniería. 18 STOKES A, GHANI MA, SALIN F et al (2007) Morfología de la raíz y distribución de la tensión durante la falla del árbol en las laderas de las montañas 28 6. COMPORTAMIENTO DE RAÍCES DE PLANTAS EN EL SUELO MODELANDO EL COMPORTAMIENTO DE LAS RAÍCES DE LAS PLANTAS EN EL SUELO 6.1 PRUEBAS DE CAMPO O IN SITU Los efectos mecánicos de la vegetación sobre la estabilidad de la pendiente del suelo se evalúan utilizando varios métodos de prueba de campo, como pruebas de corte directo, pruebas de extracción vertical y horizontal in situ19 20, los ensayos de campo son particularmente útiles para estudiar los efectos de diferentes parámetros en el mecanismo de interacción raíz-suelo, adicionalmente de las pruebas mecánicas, también se debe prestar la debida atención a la estimación de parámetros relacionados con la arquitectura de la ruta. Se han desarrollado varias técnicas para estudiar estos parámetros, incluido el muestreo de fracturas del núcleo, el conteo de raíces mediante zanjas de perfil, la eliminación directa de plantas del suelo sin dañar las raíces y el análisis de imágenes, en general, la densidad de raíces disminuye al aumentar la profundidad y la distancia horizontal desde el tallo de la planta. 6.2 PRUEBAS DE LABORATORIO Debido a la dificultad de realizar pruebas de campo, algunos investigadores han realizado pruebas de laboratorio para evaluar el comportamiento mecánico de las plantas, especialmente de las raíces, los tres tipos de ensayos más comunes son el ensayo primario (ensayo de tracción de raíz, ensayo de corte directo o ensayo triaxial de suelo), ensayo de interacción raíz-suelo (ensayo de tracción, ensayo de corte directo o ensayo triaxial de suelo con plantas) y estudios de modelo en las laderas cubiertas de vegetación usando centrífugas 21, a pesar de ello, la escala puede tener un impacto significativo en la resistencia al arranque de las raíces, por lo que los resultados experimentales de los modelos de menor escala deben interpretarse con precaución. Las pruebas de laboratorio se pueden realizar en raíces vivas o sus análogos (filamentos), la ventaja de utilizar raíces análogas es el control sobre las propiedades mecánicas y geométricas, lo que permite evaluar la influencia de diferentes parámetros en el comportamiento del suelo y de las raíces, para reducir 19 GREENWOOD JR, NORRIS JE, WINT J (2004) Evaluación de la contribución de la vegetación a la pendiente estabilidad. Proc ICE-Geotech Eng 157(4):199–207 20 POLLEN N (2007) Variabilidad temporal y espacial en el refuerzo de raíces de las riberas: teniendo en cuenta la resistencia al corte y la humedad del suelo 21 PRICE DG (2008) Ingeniería geológica: principios y práctica. Springer, Nueva York 29 la heterogeneidad del suelo, algunos investigadores han utilizado suelo idealizado, a pesar de eso, la precisión de los resultados obtenidos en estos experimentos plantea preocupaciones, ya que el límite de fase natural "raíz-suelo" es diferente dellímite "fibra (análogo de raíz)-suelo". La prueba del elemento raíz generalmente se realiza con un probador universal, la resistencia a la tracción de las raíces varía de 5 a 60 MPa, y el módulo de elasticidad suele ser de 200 a 600 MPa 22, conjuntamente, se encontró que la resistencia a la tracción de la raíz depende del diámetro de la raíz (especialmente el contenido de celulosa) y, por lo tanto, la resistencia a la tracción disminuye al aumentar el diámetro de la raíz23, las raíces con un diámetro más pequeño también son más rígidas. que las raíces con un diámetro mayor. Las pruebas de corte directo y las pruebas triaxiales en suelos vegetativos muestran que se produce un aumento en la resistencia al corte debido a un aumento en la fuerza adhesiva (fuerza de corte directo) y el ángulo de fricción aparente (tres ejes), durante el corte, las fibras pueden estirarse o doblarse según el tamaño de las partículas del suelo24, la rugosidad de la superficie de la raíz juega un papel importante en las interacciones suelo-raíz25 Waldron LJ (1977) La resistencia al corte del suelo homogéneo y estratificado permeado por raíces, el aumento de la rugosidad de la superficie de la raíz aumenta la resistencia al corte de las raíces en contacto con el suelo, otras propiedades de interés son el estrés normal en la interfase raíz-suelo, las propiedades del suelo y el estrés de contacto. Otro aspecto importante de las pruebas de laboratorio es la evaluación de las características de la raíz, es una práctica común evaluar el desempeño de la cumbrera en el corte/plano de corte después de la prueba, una de estas características es la relación del área de la raíz, que es la relación entre el área total de las raíces que cruzan el plano de corte y el área total del plano, la relación del área de la raíz afecta significativamente la resistencia al corte del suelo vegetativo; por ejemplo, cambiar la proporción de la superficie de la raíz puede compensar el estrés limitante y de absorción. 22 VEYLON G, GHESTEM M, STOKES A et al (2015) Cuantificación de los componentes mecánicos e hídricos del refuerzo del suelo por las raíces de las plantas 23 STOKES A, GHANI MA, SALIN F et al (2007) Morfología de la raíz y distribución de la tensión durante la falla del árbol en las laderas de las montañas 24 MICKOVSKI SB, BRANSBY MF, BENGOUGH AG et al (2010) Resistencia de la raíz simple de la planta Sistemas para levantar cargas 30 7. MODELAMIENTO NUMÉRICO DE RAÍCES Modelar el número de raíces es difícil debido a la gran cantidad de parámetros que no se pueden estimar por completo, sin embargo, investigadores han intentado modelar las interacciones suelo-raíz y evaluar la mejora en la estabilidad de la pendiente del suelo como resultado de la mejora de las raíces, las raíces de las plantas aumentan principalmente la resistencia al corte del suelo, la mayoría de las veces, el término denominado adhesión de la raíz se incluye en la ecuación clásica de Mohr de Coulomb para que los suelos tengan en cuenta el aumento de la resistencia al corte. 𝜏 = 𝑐′ + 𝑐𝑟 + 𝜎′ tan𝜑′ Eq. (1) Donde: 𝜏 es la resistencia al corte 𝑐′ es el intercepto de cohesión (kPa) 𝑐𝑟 es la cohesión de la raíz (kPa) 𝜎′ es la tensión efectiva (kPa) 𝑡𝑎𝑛𝜑′ es el ángulo de resistencia al corte (°) La resistencia a la tracción in situ, 𝑇𝑓 viene dada por 𝑇𝑓 = 𝜎𝑟𝑓 𝐴𝑟𝑎í𝑧 Eq. (2) Donde: 𝜎𝑟𝑓 es el esfuerzo de tracción en la raíz (kPa) 𝐴𝑟𝑎í𝑧 es el área de la raíz (m2) El fracaso durante una retirada puede ocurrir ya sea debido a la falla a la tracción de las raíces o debido a la variación de adherencia entre el suelo y las raíces [27]. La resistencia a la tracción (extracción) debida a la variación de la adherencia entre el suelo y las raíces viene dada por: 𝑇𝑓 = 𝑎𝜋𝑑𝐿 Eq. (3) Donde: d y L son el diámetro y la longitud de las raíces. (m) 𝑎 es igual a la cohesión para suelos cohesivos. (kPa) Para suelos sin cohesión 𝑎 viene dada por: 𝑎 = 𝐾𝑥𝑦 tanδ Eq. (4) 31 Donde: 𝐾𝑥𝑦 es el empuje lateral de tierra (kPa) tan𝛿 es la mitad de 𝑡𝑎𝑛𝜑. (°) Como se explica en la sección anterior, el comportamiento de carga-desplazamiento de extracción depende de la forma de la raíz, la planta con una sola raíz principal y menos raíces ramificadas muestra un solo valor máximo en el comportamiento de carga-desplazamiento de extracción, mientras que múltiples picos observados para la planta de varias ramas, la carga última, en este caso corresponde a la que falla la raíz de la rama final26. En la ecuación Eq. (1) se representó la cohesión en términos de tracción la fuerza de la raíz y la relación del área de la raíz. La ecuación Eq. (5) está basada en el equilibrio de la fuerza y es bueno para raíces con dimensiones y espaciamientos pequeños, este enfoque de modelado de la interacción suelo-vegetación es relativamente simple y requiere la resistencia a la tracción in situ como entrada. 𝑐𝑟 = 1.2 + 𝜎𝑡𝐴𝑟 Eq. (5) Donde: 𝜎𝑡 es la resistencia a la tracción a de la raíz. (kPa) 𝐴𝑟 es la relación del área de la raíz. (m2) Esto se puede deducir considerando una raíz inclinada con la horizontal en un ángulo 𝜃 como se muestra en la figura 6. El incremento de la resistencia al corte debido a las raíces viene dado por: 𝑆𝑟 = 𝑇𝑥 + 𝑇𝑧tan𝜑 = T(cos𝜃 + sinθ tan𝜑) Eq. (6) Donde: T es la fuerza de tracción sobre el refuerzo. (kPa) 𝜑 es el ángulo de fricción (°). En términos de tensiones la ecuación 6 se puede representar como: 𝑠𝑟 = 𝜎𝑟𝐴𝑟𝑎í𝑧(cos𝜃 + sin𝜃 tan𝜑) 𝐴 = 𝜎𝑟𝐴𝑟(cos𝜃 + sin𝜃 tan𝜑) Eq. (7) 26 VEYLON G, GHESTEM M, STOKES A et al (2015) Cuantificación de los componentes mecánicos e hídricos del refuerzo del suelo por las raíces de las plantas. 32 Figura 11 (a) Deformación en la zona de corte, (b) Barra deformada27 Fuente: Autor Donde: 𝜎𝑟 es el esfuerzo de tracción en la raíz (kPa) 𝐴𝑟𝑎í𝑧 es el área de la raíz (m2) 𝐴 es el área del plano de corte (m2) 𝜃 = 𝑡𝑎𝑛−1( 1 ∆𝑥 𝑧 + 𝑡𝑎𝑛−1𝜀 ) (8) En el caso de raíces múltiples, la relación del área de la raíz se representa como: 𝐴𝑟 = Σ𝐴𝑖 𝐴 (9) Donde: 𝐴𝑖 es el área de la raíz i (m2) En la falla, 𝜎𝑟 se convierte en 𝜎𝑟𝑓 (resistencia al corte in situ del refuerzo) y el valor de 𝜃 oscila entre 48 y 72°, poniendo 𝜑 = 35°, 𝑠𝑟 en Eq. Eq. (7) se vuelve numéricamente igual a 𝑐𝑟 en la Eq Eq. (5). Esta cohesión de la raíz varía de 1 a 25 kPa dependiendo del tipo de vegetación, suelo y condiciones ambientales [15], cabe señalar que el factor 1.2 en Eq. Eq. (5), como sugiere [82, 83], sobrestima los valores de la cohesión de la raíz [10,18,84-87], por lo tanto la ecuación debe usarse con el debido cuidado y 1.2 no debe utilizarse como un valor estándar. A medida que 27 VEYLON G, GHESTEM M, STOKES A et al (2015) Cuantificación de los componentes mecánicos e hídricos del refuerzo del suelo por las raíces de las plantas 33 aumenta la resistencia al corte del suelo debido al refuerzo de la raíz depende de la profundidad, la Eq. Eq. (5) se puede modificar como: 𝑐𝑟(𝑍) = 𝐾 ∑ 𝑇𝑟𝑗 𝑛 𝑗=1 (𝐴𝑟(𝑍)) (10) Donde: 𝑛 es el número de clases de diámetro en la profundidad Z 𝑇𝑟𝑗 es la resistencia a la tracción de j-ésima clase de diámetro (kPa) El método anterior se basa en la rotura de raíces en el plano de corte durante la prueba de extracción, pero en realidad, la extracción también podría ocurrir debido a la movilización de adherencia entre la raíz y el suelo. El incremento en la cohesión del suelo debido a la movilización de la adhesión se puede evaluar utilizando el siguiente conjunto de ecuaciones [10,83]: 𝑐𝑟 = 𝐾𝑎𝐴𝑟(cos𝜃 + sin𝜃 tan𝜑) (11) 𝐾 = ( 4𝑧𝜏𝑏𝐸 𝑑 ) 0.5 (12) 𝑎 = (𝑠𝑒𝑐𝜃 − 1)0.5 (13) 𝜏𝑏 = 𝑧𝛾(1 − 𝑠𝑖𝑛𝜑)𝑓tan𝜑 (14) Donde: 𝜏𝑏 es la tensiónde unión raíz-suelo (kPa) 𝑧 es la profundidad por debajo de la superficie del suelo (m) 𝑓 es la relación de fricción entre la interfaz raíz-suelo y el suelo intacto 𝐸 es el módulo de elasticidad de la raíz (MPa) 𝑑 es el diámetro de la raíz (m) 𝛾 es el peso unitario del suelo (kN/m3) La contribución de las raíces para mejorar la estabilidad de la pendiente del suelo también se puede evaluar considerando la raíz como un elemento estructural incrustado dentro del suelo, como se muestra en la Fig. 6 b. Este enfoque se utiliza para raíces grandes con geometría o configuración no uniforme, en este método, se tienen en cuenta la rigidez a la flexión de la raíz y la reacción del suelo. El análisis se vuelve similar a una pila incrustada en el suelo, este enfoque requiere los datos de deformación de la raíz como entrada. La interacción entre la raíz y el suelo está dada por: 34 𝐸𝐼 𝑑4 𝑑𝑧4 − 𝑇𝑧 ( 𝑑2𝑢 𝑑𝑧2 ) = 𝑞𝑑 (15) Donde: 𝐸𝐼 es la rigidez de la flexión de las raíces (kPa) 𝑢 es el desplazamiento (m) 𝑞 es la reacción del suelo 𝑑 es el diámetro promedio de la raíz (m) En el punto límite (rendimiento del suelo), 𝑞 se vuelve igual a la presión de carga en el rendimiento del suelo (𝑞𝑦), la falla pasiva ocurre en el suelo una vez se alcanza la presión de rendimiento. Con un aumento en el desplazamiento de extracción, la zona de falla pasiva aumenta hasta que ocurre la falla debido a la tensión o extracción, la zona de falla pasiva aumenta hasta que ocurre la falla debido a la tención o extracción. La Eq (15) se puede resolver considerando la raíz como un cable flexible o una viga/pilote, la raíz es considerada como un cable flexible cuando la componente de tensión hacia arriba es mayor que la rigidez a la flexión (es decir, Tz > EI), mientras que se considera una viga o un pilote cuando Tz es menor que EI, por lo tanto, la ecuación se puede resolver utilizando la solución de cable flexible o la solución de pilotes28. El método descrito anteriormente también se puede utilizar para evaluar el comportamiento de los postes vivos instalados en la pendiente, la falla de los postes vivos ocurre de manera similar a la de los pilotes, como en modo de flujo, modo de pilote corto o modo de pilote largo, como se muestra en la Fig. 12. La Fig. 12 a muestra el modo de falla de flujo en el que la reacción del suelo en el suelo por encima del plano de corte a una profundidad ‘z’ se vuelve igual a la presión de carga en la fluencia. Esto hace que el suelo fluya alrededor del poste. 28 VEYLON G, GHESTEM M, STOKES A et al (2015) Cuantificación de los componentes mecánicos e hídricos del refuerzo del suelo por las raíces de las plantas. 35 La Fig. 12 b muestra el modo de falla de pilotes largos que se produce debido a la flexión, la Fig. 12 c muestra el modo de falla de pilote corto, que ocurre en el suelo debajo del plano de falla. En la figura también se muestra el desarrollo de la presión del suelo (q) y el momento flector (M) a lo largo de la raíz idealizada. Otro enfoque es el método del haz de fibras, que se basa en el modo progresivo de falla de las raíces29, en este método, se aplica la misma tensión en todas las raíces, de modo que las raíces de gran diámetro comparten una gran proporción de carga, si la carga en una raíz en particular excede su resistencia (lo que lleva a la ruptura de la raíz), el cálculo continúa para las raíces intactas mientras que la raíz rota se elimina del análisis. Figura 12. Modos de falla de los postes vivos a. Modo de flujo, b. Modo de pilotes largos, c. Modo de pilote corto Fuente: Elaboración propia Mickovski utilizó un método similar en el que se evaluó la tensión de tracción mínima requerida para romper la raíz más débil, luego, este esfuerzo se multiplicó por el área de todas las raíces intactas disponibles en el plano de falla, este proceso se repitió hasta que se rompieron todas las raíces30. El valor máximo de la tensión en la falla da el valor del refuerzo pico-raíz, que puede utilizarse además para el análisis de estabilidad de taludes, sin embargo, los resultados obtenidos con este método 29 PRETI F, DANI A, LAIO F (2010) Evaluación del perfil de la raíz mediante información hidrológica, pedológica y de vegetación sobre el suelo con fines de bioingeniería 30 FRYDMAN S, OPERSTEIN V (2001) Simulación numérica de corte directo de suelo reforzado con raíces Desplazamiento del suelo 36 contradijeron los resultados experimentales, ya que la falla real ocurrió debido al estiramiento de las raíces de gran diámetro (en lugar de romperse), pero el modelo predijo la ruptura de las raíces de gran diámetro (ya que poseen menor resistencia en comparación con las fibras de las raíces de pequeño diámetro), por lo tanto, la tensión se puede reemplazar por la rigidez de las raíces como parámetro predominante para simular el mecanismo de falla real. El comportamiento de las raíces en el suelo también se puede estudiar mediante el análisis de elementos finitos (FEM), la ecuación utilizada en FEM es: 𝐾𝛿̅ = 𝑅 − 𝐹�̅� − 𝐹0 ̅̅̅ (16) Donde: 𝐾 es la matriz de rigidez 𝛿̅ vector de desplazamiento 𝑅 vector de fuerza nodal 𝐹�̅� vector de carga límite 𝐹0 ̅̅̅ vector de carga inicial Se pueden usar diferentes elementos para representar las raíces (elemento de viga) y la interfaz raíz-suelo (elemento de contacto de línea de deslizamiento) 31. El comportamiento de la raíz puede tomarse como elástico hasta el rendimiento y el suelo puede modelarse utilizando el modelo Drucker- Prager32 o el modelo Cap [97]. Estos modelos solo pueden usarse después de la validación con la literatura publicada, el factor de seguridad en el análisis FEM se puede calcular utilizando un enfoque de reducción de la resistencia del suelo que implica una reducción continua de la resistencia al corte del suelo hasta la falla. Este método es el más preciso disponible, sin embargo, la única limitación es que requiere una gran cantidad de datos de entrada (propiedades del material y arquitectura de la raíz), sin embargo, otro enfoque más para modelar la interacción suelo-raíz se basa en el comportamiento del material compuesto. En este enfoque, las raíces se consideran como fibras incorporadas en una matriz de suelo. Algunos autores intentaron modelar la succión generada por las raíces de las plantas, incorporaron las complejas interacciones suelo-planta para cuantificar la disipación de la presión intersticial y la succión matricial producida por las plantas en el suelo, la arquitectura de la raíz juega un papel muy importante en el 31 DUPUY L, FOURCAUD T, STOKES A (2005) Una investigación numérica sobre la influencia del tipo de suelo y la arquitectura de las raíces en el anclaje de los árboles 32 KRAHN J (2003) La conferencia de RM Hardy de 2001: los límites de los análisis de equilibrio límite 37 mecanismo de interacción raíz-suelo33. El papel de la arquitectura de la raíz en la interacción suelo-raíz se puede modelar usando FEM. En la Fig. 13 se muestran diferentes estructuras de raíces idealizadas, previamente, se realizaron análisis 2-D asumiendo una distribución homogénea de la biomasa a lo largo de la pendiente, sin embargo, en el escenario real, la distribución de la biomasa es heterogénea y se requiere un análisis tridimensional para incorporar la heterogeneidad, a través del análisis FEM, se descubrió que el patrón de plantas (espaciado entre plantas a lo largo de la dirección de la pendiente) dentro de una pendiente y la morfología de las raíces afectan en gran medida la estabilidad de la pendiente del suelo y el volumen de suelo movilizado. En lugar de predeterminar la arquitectura raíz, hoy en día existen diferentes softwares disponibles para simular la propagación de raíces en diferentes condiciones ambientales34, estos programas simulanla ramificación y el crecimiento de las raíces utilizando funciones especiales derivadas de los datos experimentales. Figura 13. Diferentes estructuras radiculares idealizadas en planta a. Tipo v, b. Tipo H, c. Tipo VH, d. Tipo M. Fuente: Elaboración propia 33 DUNBABIN VM, POSTMA JA, SCHNEPF A et al (2013) Modelado de interacciones raíz-suelo utilizando modelos tridimensionales de crecimiento, arquitectura y función de raíces 34 REUBENS B, POESEN J, DANJON F ET al (2007) El papel de las raíces finas y gruesas en la estabilidad de pendientes poco profundas y el control de la erosión del suelo con un enfoque en la arquitectura del sistema de raíces 38 8. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD CON SISTEMA RAÍZ 8.1 ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES INFINITOS Para incluir el efecto del refuerzo del suelo por las raíces en la estabilidad de la pendiente del suelo, se puede utilizar un método simple propuesto por Barker [107], presentó la estabilidad de un talud infinito considerando los efectos estabilizadores y efectos desestabilizadores de las raíces de las plantas en la ladera, este método se puede aplicar a pendientes donde las superficies de deslizamiento son paralelas a la superficie del suelo y la profundidad a la relación de longitud de la masa deslizante es muy pequeña. El análisis de estabilidad de taludes infinitos determina la estabilidad en términos de factor de seguridad, que se define como la relación entre el estabilizado a las fuerzas desestabilizadoras que actúan sobre el elemento (calculado, usando la fuerza enfoque de equilibrio). El factor de seguridad (FS) para una pendiente infinita sin presión vertical de sobrecarga, se puede determinar mediante el siguiente conjunto de ecuaciones: FS = A tanφ tanβ + B C + Sr γH Eq. (17) A = 1 − Ru cos2β Eq. (18) B = 1 cosβsinβ Eq. (19) Ru = γw γ + γ tanβ tan α′ Eq. (20) Donde: • 𝛽 es el ángulo de inclinación del terreno natural (°) • 𝛼′ es el ángulo de filtración (°) • 𝜑 ángulo de fricción interna (°) • 𝐶 es la cohesión del suelo (kPa) • 𝑆𝑟 es la adhesión de raíces determinada a partir de las ecuaciones Eq. (7)(10)(11) • 𝛾 peso unitario del suelo (N/m3) • 𝛾𝑤 peso unitario del agua (N/m3) • 𝐻 espesor de masa deslizante. (m) 39 8.2 ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES FINITOS La estabilidad de un talud finito (corte, relleno, terraplén, excavación, etc.) reforzado con las plantas se pueden evaluar con un enfoque de equilibrio límite simple utilizando el método de rebanadas, sin embargo, el método propuesto por Greenwood [108] se puede utilizar para determinar la estabilidad de una pendiente finita reforzada con raíces vegetales, este método toma en cuenta los componentes mecánicos e hidrológicos del refuerzo de la raíz de la planta para evaluar el factor de seguridad (FS), este factor de seguridad (FS) usando el método de cortes viene dado por: 𝐹𝑆 = Σ [𝐶′𝐿 + (𝑊𝑐𝑜𝑠 𝛼 − 𝑈𝐿 − (𝑈2 − 𝑈1) sin 𝛼) 𝑡𝑎𝑛 𝜑] Σ W 𝑠𝑖𝑛𝛼 Eq. (21) Greenwood [108] modificó la Eq. Eq. (21) mediante la incorporación de la mecánica y componentes hidrológicos del refuerzo de raíces, el factor de seguridad usando este método modificado viene dado por: 𝐹𝑆 = Σ (C′ + 𝐶𝑟)𝐿 + {(𝑊 + 𝑊𝑣)cos 𝛼 − (𝑈 + ∆𝑈𝑣)𝐿 − ((𝑈2 + ∆𝑈2) − (𝑈1 + ∆𝑈1))𝑠𝑖𝑛𝛼 − 𝐷𝑤sin (𝛼 − 𝛽) + Tsinθ} 𝑡𝑎𝑛 𝜑) Σ [(W + ∆𝑊𝑣)𝑠𝑖𝑛𝛼 + 𝐷𝑤 cos(𝛼 − 𝛽) − 𝑇𝑐𝑜𝑠𝜃] Eq. (22) Donde: • C′ es la cohesión efectiva en la base del talud (kPa) • 𝐿 es la longitud de la base del talud (m) • 𝑊 es el peso del suelo (kN/m3) • 𝛼 es la inclinación de la base del corte a la horizontal (°) • 𝛽 es el ángulo de la pendiente (°) • 𝜑 es el ángulo de fricción efectico en la base del corte (°) • 𝑈 es la presión del agua sobre la base del talud (kN/m2) • 𝑈1 𝑦 𝑈2 son fuerzas hídricas entre cortes (kN/m2) • 𝐶𝑟 es el mejorado de cohesión debido a las raíces (kPa) • 𝑊𝑣 es el peso de la vegetación (kN/m3) • ∆𝑈𝑣 es el cambio en la presión del agua, debida a la vegetación (kN/m2) • ∆𝑈1 𝑦 ∆𝑈2 son cambios en las fuerzas de agua entre cortes debido a la vegetación (kN/m2) • 𝐷𝑤 es la fuerza del viento (m/s) • T es la fuerza de tracción sobre las raíces (kPa) • 𝜃 es el ángulo de las raíces a la superficie de deslizamiento (°) 40 Para un análisis más realista, se puede utilizar un programa de elementos finitos en computadora como lo es “GEO5 que es un software geotécnico”, que puede modelar la geometría compleja, el comportamiento del suelo, el sistema de raíces y evaluar la estabilidad de la pendiente del suelo. 41 9. CONCLUSIONES La evaluación precisa de los parámetros de resistencia de la matriz suelo-raíz es esencial para diseñar los métodos de bioingeniería de manera efectiva para la estabilización de taludes de suelos, estos parámetros de fuerza dependen de numerosos factores, por lo tanto, físicos y varios investigadores han desarrollado modelos numéricos para evaluarlos como con la mayor precisión posible e incorporarlos en el análisis de estabilidad de taludes. La evaluación precisa de estos parámetros aumenta la precisión de la estabilidad del análisis del talud, por consiguiente, optimiza el diseño del método de bioingeniería. El estudio proporciona una revisión de la aplicación de técnicas de bioingeniería para el suelo estabilización de taludes. Las diversas ventajas, limitaciones, desafíos y diferentes métodos de aplicación de la bioingeniería para la estabilización de taludes de suelos, otorgando diferentes modelos físicos y numéricos para evaluar el efecto de reforzamiento de la raíz sobre la resistencia del suelo, de esta manera se concluye en los siguientes aspectos: • La bioingeniería se puede utilizar con eficacia para la estabilización de taludes o control de la erosión de suelos poco profundos. • El diseño de medidas de bioingeniería para un proyecto en particular es altamente específico y depende de las condiciones ambientales, las propiedades de la pendiente, la naturaleza del proyecto y especies vegetales. A veces, la combinación de bioingeniería con otras medidas de estabilización de taludes puede ser más efectivas para controlar los problemas de inestabilidad de taludes que la bioingeniería sola. • La evaluación precisa de los parámetros de resistencia del compuesto para un sistema suelo-raíz es el paso más importante para un diseño seguro y satisfactorio de un proyecto de bioingeniería, sin embargo, es una tarea tediosa y desafiante ya que los parámetros de resistencia del sistema suelo-raíz dependen de una serie de factores que incluyen la resistencia del suelo, la geometría y ramificación de la raíz, el tipo de raíz, la relación del área de la raíz, la resistencia y el mecanismo de falla. • Se han desarrollado numerosas técnicas para determinar los parámetros de resistencia compuesta del sistema suelo-raíz, estos incluyen pruebas de extracción en campo, pruebas de extracción en laboratorio, pruebas de corte triaxial y directo. Junto con las pruebas del modelo físico, se han desarrollado varios modelos numéricos para investigar el papel de las plantas en la mejora de la estabilidad de la pendiente del suelo. Además, se pueden utilizar 42 programas informáticos avanzados de elementos finitos para modelar de forma realista el suelo y la geometría compleja del sistema radicular. • El factor de seguridad para el talud finito e infinito con refuerzo de raíz se puede determinar tomando en consideración las fuerzas estabilizadoras y desestabilizadoras adicionales debidas a la vegetación o plantación en el talud. 43 BIBLIOGRAFIA ALI FH, OSMAN N (2014) Compuesto suelo-raíces: correlación entre la resistencia al corte y algunas propiedades de las plantas. ARIAS T, BENJAMIN (2012) Deslizamineto en taludes inducidos por altas precipitaciones en vías intermunicipalesen Colombia. BÖHM W (2012) Métodos de estudio de sistemas de raíces, vol 33. 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