ProyectoTaludes_vf

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA VICERRETORÍA DE INVESTIGACIÓN Y EXTENSIÓN

Propuesta de proyecto

Análisis de la influencia de la precipitación en taludes a escala reducida.

Proponentes: Ph.D. Rafael Baltodano G. M.Sc. Gustavo Rojas M.

Escuela de Ingeniería en Construcción

Mayo, 2013

Presentación Nuestro país, está fuertemente amenazado por los deslizamientos, tal como se puede constatar a lo largo de su historia. Esto debido a que alrededor de un 60% de su territorio es terreno montañoso y que geológicamente está formado por rocas blandas, con abundantes fracturas producto del fallamiento local intenso. Estas son condiciones propicias para la generación de deslizamientos que anudados con factores tales como un régimen alto de precipitación anual, una alta sismicidad y otros factores no tan naturales, como malas prácticas agrícolas, construcciones de carreteras y caminos carentes en mucho casos de un buen diseño geotécnico de sus taludes y un mal manejo de las aguas, entre otros factores, hacen que el país tenga una alta vulnerabilidad a los desastres naturales producto de los deslizamientos.

Son conocidos los grandes deslizamientos de Tapezco en Santa Ana, Banderillas al norte de Cartago, Potrerillos en Acosta, Burío en Aserrí, el Tablazo en Desamparados, Peñas Blancas en Esparza, Arancibia en Puntarenas y muchos otros más.

Los deslizamientos han producido daños cuantiosos e incluso han producido más muertes que los mismos sismos (que parecieran ser más destructivos). Por ejemplo, en el año 2010, ocurrió el deslizamiento del cerro Pico Blanco en Escazú, dejando un saldo de 28 personas fallecidas. En el año 2007, se produjo un deslizamiento en el Bajo el Cacao en Atenas, falleciendo 14 personas y en el año 2002, se produjo un deslizamiento y flujo de lodo en la Quebrada Grandos en Orosi, dejando un saldo de 7 muertes, esto solo por citar algunos casos recientes de las consecuencias fatales de estos desastres.

Varias son las acciones que se pueden llevar a cabo para minimizar la vulnerabilidad de las poblaciones ante la ocurrencia de un deslizamiento, entre las cuales el ordenamiento territorial y el establecimiento de áreas o zonas restringidas en donde se conoce ocurren deslizamientos, adquiere una prioridad alta. Otra acción que en otros países se ha experimentado con relativo éxito es el establecimiento de sistemas de alerta temprana, que ante la eminencia de un deslizamiento alertan a la población, con suficiente tiempo, lo que da la posibilidad incluso de evacuar la zona en peligro.

El presente proyecto trata precisamente de colaborar con los esfuerzos que se realizan en el país y que llevan a cabo las Instituciones responsables para la mitigación y prevención de este

tipo de desastres, al proponer un enfoque novedoso e innovador de estudiar las causas que provocan los deslizamientos. Se parte, de que uno de los disparadores más influyentes es la precipitación, sin embargo, hasta ahora se enfoca el problema en el comportamiento de los suelos saturados. Los nuevos enfoques de la geotecnia, implican el considerar la no saturación de suelos (mecánica de suelos no saturados) y los efectos de la succión en la interfase suelo-agua. Para ello se propone la realización de modelos a escala (pocas veces utilizados en esta rama de la ingeniería), para estudiar el efecto de las principales variables y así, obtener un mejor entendimiento de su comportamiento; con miras en un futuro cercano de desarrollar sistemas de alerta temprana, que garanticen una mejor predicción y con ello, evitar la pérdida de más vidas humanas, sobretodo.

Los autores.

Guía para la presentación de proyectos de investigación y extensión Vicerrectoría de Investigación y Extensión

DATOS GENERALES

Análisis de la influencia de la precipitación en taludes a escala reducida.

Nombre del proyecto

Resumen Nuestro país, por su topografía, régimen de precipitación, sismicidad, está amenazado con frecuencia por la falla o deslizamiento de masas de suelos, que han causado grandes pérdidas materiales e incluso la pérdida de vidas humanas. Varios casos pueden servir de ejemplo: el terremoto de Cinchona de 2009, ocasionó grandes deslizamientos, el deslizamiento de Tapezco (quizás uno de los más estudiados) camino a Puriscal, el caso de los deslizamientos en la carretera Braulio Carrillo y últimamente el caso de la ruta 27 San José- Caldera, son ejemplos claros de la ocurrencia de este tipo de fenómenos naturales. Existe una multiplicidad de criterios y de metodologías para el estudio de estos fenómenos que consideran la precipitación como principal fuente disparadora. También se tienen sistemas de prevención, como los denominados sistemas de alerta temprana (SAT) que de una u otra manera intentan alertar a la población sobre la eminente ocurrencia de un deslizamiento, los cuales tienen un éxito relativo. La mayoría de los métodos parten de que el suelo se encuentra saturado. En el presente proyecto, se intenta estudiar la variación del grado de saturación de los suelos y relacionar este parámetro con la pérdida de resistencia de la masa de suelo, utilizando para ello modelos a escala, lo cual no deja de ser novedoso en el campo de la geotecnia. Con ello, más adelante se podrían tener modelos más realistas del comportamiento de los taludes y por lo tanto servir para una mejor o más eficiente calibración de los sistemas de alerta, con el consiguiente beneficio para las poblaciones expuestas ante tales amenazas.

Palabras clave: Taludes, deslizamientos, precipitación, suelos, sistemas alerta temprana, succión.

Abstract Our country, due to its topography, rainfall pattern, and seismicity is often threatened by failed or sliding soil masses, which have caused major property damage and even loss of life. Several cases may serve as examples: Cinchona earthquake of 2009 caused large landslides, Tapezco´s landslide (perhaps one of the most studied in the country) near Puriscal, the case of landslides on the Braulio Carrillo Highway, and lately some landslide at Route 27 San José-Caldera, are clear examples of the occurrence of such natural phenomena. There is a multiplicity of criteria and methodologies for the study of these phenomena that consider precipitation as the main trigger source. Also there are relatively successful prevention systems, such as the so-called early warning systems (EWS) which in one way or another try to warn people about the imminent occurrence of landslides.

Most methods assumed the soil is saturated; however, in this project the variation of the degree of saturation of the soil and its relationship with the loss of strength of the soil mass will be studied, using scale models, which it is innovative in the field of geotechnics. This information could lead to more realistic models for slope behavior; and therefore, serve as a better or more efficient calibration warning system, with the consequent benefits for the population exposed to such threats.

Key words: Slopes, landslides, rainfall, soils, early alert systems, suction

1

PROPONENTES Escuela de Ingeniería en Construcción Escuela Responsable

Centro de Investigación en Vivienda y Construcción CIVCO Centro de Investigación

.

Programa

Escuelas o instituciones participantes Escuelas

Instituciones u organizaciones

Escuela de Ingeniería en Construcción

Instituto Tecnológico de Costa Rica

Equipo de Trabajo

Rafael Baltodano G. Ph.D. (RB)

CO

Nombramiento (Definido e indefinido) indefinido

Gustavo Rojas M, MSc. (GR)

CO

indefinido

Nombre y apellidos 1

1.

Escuela

5

Meses en el proyecto 24

5

24

Jornada (h/semana)

Tipo de plaza VIE VIE

Medio tiempo indefinido

Nota:

*Especificar si las horas son con plaza VIE, Consolidado, Docencia o Reconocimiento.

Plaza de la VIE: cuando al investigador/a se le sustituye en algún curso y se requiere una nueva contratación.

Plaza de Consolidado: cuando el investigador/a tiene asignadas horas por su condición de Investigador Consolidado.

Plaza de Docencia: cuando el investigador/a realiza la investigación dentro de la carga académica asignada en la escuela. Se requiere aprobación del Vice-Rector de Docencia Reconocimiento: cuando el investigador/a realiza la investigación ad honórem.

La VIE presupone que durante el tiempo de dedicación al proyecto, el investigador/a considera compromisos que puedan surgir durante su desarrollo (becas, salidas del país, seminarios, cursos, etc.).

Propiedad intelectual y derechos de autor 1.

Indique si este proyecto requiere el establecimiento de un convenio entre las partes. En caso afirmativo, especifique : Tipo de convenio

☐ Nacional

☐ Internacional

Partes involucradas

X ITCR

☐ FUNDATEC

☐ Contraparte Especifique:

En caso de existir un convenio marco, especifique el nombre del convenio: No

2.

Indique si el proyecto generará conocimiento sujeto a protección: No

2

3.

Indique si su proyecto corresponde parcial o totalmente a una investigación para optar por un grado académico. En caso afirmativo indique el nombre del programa, grado académico a obtener y nombre de la universidad que imparte el programa.

No es parte de un proyecto de graduación, pero es una continuación o formalización de varios proyectos de graduación que se han venido desarrollando en la Escuela, en la misma temática, bajo la coordinación del doctor Baltodano, en su campo de especialización en suelos no saturados.

4. Indique si esta propuesta está relacionada con otros proyectos o programas desarrollados -o en ejecuciónen el Instituto Tecnológico de Costa Rica. En caso afirmativo, favor especifique el proyecto o programa: No directamente, pero se enmarca dentro del quehacer del área de geotecnia de la Escuela y dentro de la línea de investigación del doctor Baltodano que a través del desarrollo de proyectos de graduación tanto en el TEC como en la UCR, ha venido desarrollando, incluso con la presentación de varios trabajos en seminarios, congresos nacionales e internacionales. Es de destacar, la experiencia enriquecedora de algunos de los estudiantes nuestros, al propiciar los proyectos el intercambio con estudiantes y profesores de la UCR, así como su participación en otras actividades académicas.

3

TIPO DE PROYECTO Favor marcar una única opción que corresponda a la característica que describa de mayor manera su proyecto. Tipos de proyecto según Guía para la gestión interna de la investigación y Extensión en el ITCR. Actividad de fortalecimiento

Investigación Básica

Investigación aplicada

Desarrollo experimental

Extensión

Desarrollo tecnológico

Innovación

☐

☐

1

☐

☐

☐

2

Aunque se considera esencialmente investigación aplicada, tiene una gran dosis de innovación, al propiciar el desarrollo de modelos a escala en el área de la mecánica de suelos.

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN Favor especificar la línea de investigación de la escuela proponente en la que se enmarca la propuesta

El proyecto se enmarca dentro del área de Infraestructura y Geotecnia, que hemos definido en la Escuela, según solicitud de la VIE. Sin embargo, esta área tiene varios años de existir y ha permitido el desarrollo de proyectos de graduación, participando además activamente en el curso de Taller de diseño, planteando problemas complejos de diseño a ser desarrollados por los estudiantes. También cuenta con laboratorios especializados en pruebas de suelos y otros, con equipos modernos y en constante renovación, los cuales serán utilizados en el proyecto. Además, también se cuenta con software especializado licenciado, para uso en el proyecto y otras actividades de la propia Escuela.

DISCIPLINA CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA Seleccionar la disciplina en la cual se desarrolla la investigación científica y tecnológica (indique sólo una disciplina) CIENCIAS NATURALES

☐ Matemática

☐ Computación y Ciencias de la

☐ Ciencias de la Tierra y del Ambiente

☐ Ciencias Biológicas ☐ Otras Ciencias Naturales

☐

☐ Ciencias Químicas

Información Ciencias Físicas

INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

X Ingeniería Civil

☐ Ing. Eléctrica, Electrónica e Ing. de la

☐

Ingeniería Mecánica

☐ Ingeniería Química ☐ Ingeniería Ambiental ☐ Nanotecnología

☐ ☐ Biotecnología Ambiental ☐ Otras Ingenierías y Tecnologías

☐ ☐

Ingeniería Médica

☐ Medicina Clínica ☐ Otras ciencias médicas

☐

Ciencias de la Salud

☐ Ganadería ☐ Otras ciencias agronómicas

☐

Ciencias Veterinarias

☐ Economía y Negocios ☐ Leyes ☐ Geografía Social y Económica

☐ ☐ ☐

Ciencias de la Educación Medios y Comunicación Otras ciencias sociales

☐ Lengua y Literatura

☐

Filosofía, Ética y Religión

CIENCIAS MÉDICAS Y DE LA SALUD ☐ Medicina Básica ☐ Biotecnología de la Salud CIENCIAS AGRONÓMICAS ☐ Agricultura, forestería y pesca ☐ Biotecnología Agrícola CIENCIAS SOCIALES ☐ Psicología ☐ Sociología ☐ Ciencias Políticas HUMANIDADES ☐ Historia y Arqueología

Información Ingeniería de los Materiales

Biotecnología Industrial

4

☐ Arte

☐ Otras Humanidades

OBJETIVO SOCIOECONOMICO Especifique el sector de aplicación del proyecto

☐ ☐ ☐ ☐ ☐ ☐ ☐

Exploración y explotación de la Tierra Control y protección del medio ambiente Producción, distribución y utilización racional de la energía Producción y tecnología industrial Exploración y explotación del espacio Otras investigaciones civiles Otro

☐ ☐ ☐ ☐ ☐ ☐

Infraestructura y ordenación de territorios Protección y mejora de la salud humana Producción y tecnología agrícola Estructuras y relaciones sociales Investigación no orientada Defensa

Especifique: Permitirá definir criterios con mayor precisión para la atención de desastres ocasionados por deslizamientos, así que es de gran importancia para las Instituciones estatales, involucradas en este campo. La empresa privada puede tomar sus resultados y calibrar sus modelos para la prevención de deslizamientos o estudios al respecto. Con el desarrollo de este estudio y otros, las comunidades podrán contar en un futuro con sistemas de alerta temprana.

POBLACION BENEFICIARIA Si el proyecto es de extensión o innovación indique el tipo de beneficiario ☐ X X ☐ ☐ X ☐ ☐ ☐ ☐ ☐

Docentes en servicio Comunidad universitaria Profesionales en servicio Público en general Estudiantes de 3º y 4º ciclo Comunidades urbano-marginales Comunidades en áreas de conservación ambiental Sector turismo Adolescentes Población indígena Otro

☐ ☐ ☐ ☐ ☐ ☐ ☐

Productores agrícolas o agropecuarios Personal técnico o auxiliar Bachilleres en secundaria Estudiantes de 1º y 2º ciclo Sector cooperativo Trabajadores sexuales Comunidades con necesidades para la gestión ambiental ☐ Niños y niñas ☐ Personas con déficit funcional ☐ Núcleo familiar

X ☐ ☐ ☐ X ☐ ☐

Comunidades rurales-marginales Organismos no-gubernamentales Población migrante Persona adulta mayor Gobiernos Locales Personas con VIH-SIDA, cáncer u otras Sector empresarial

☐ Estudiantes de preescolar ☐ Sector PYMES X Apoyo a Instituciones y Organizaciones Especifique: El proyecto tiene un amplio ámbito de beneficiarios, en primer lugar, la investigación con modelos a escala de suelos, es escasa por lo que tiene un interés académico evidente. Al definir criterios, para prevención de deslizamientos, será de interés para los gobiernos locales, así como organismos no-gubernamentales e instituciones estatales que trabajen en este campo. Las zonas marginales tanto urbanas como rurales, que se sabe que son las más afectadas en el caso de ocurrir un evento, serán beneficias en un posterior desarrollo o continuación del proyecto.

UBICACIÓN GEOGRÁFICA Cartago Provincia

Cantón

Distrito

Localidad

Por tratarse de un proyecto en donde se desarrollan modelos a escala, no se involucra una zona en específico.

Más adelante, se necesitará definir un talud específico, en una zona particular, en donde se puede calibrar y probar el modelo.

5

Período de ejecución 01/01/2014

31/12/2016

Fecha de inicio

Fecha de finalización

Acuerdo de Consejo de Escuela y/o Comité Técnico de Centro responsable Escuela/Centro Esc. Ingeniería en Construcción

Oficio

Artículo

Fecha

09-2013

Art. 5, inciso E

29/abril/2013

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Declaro que la propiedad de los resultados del proyecto se asignará conforme a la normativa institucional establecida para tal efecto.

Coordinador/a del Proyecto Nombre: Rafael Baltodano Goulding Cédula: 1-869-143 Firma:

FIRMAS Y SELLO Director/a de escuela responsable Nombre: Hugo Navarro Serrano Cédula: 3-269-814 Firma:

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PLANTEAMIENTO GENERAL DEL PROYECTO

RESUMEN EJECUTIVO Debido a la zona geográfica en la que se encuentra, Costa Rica es un país tropical. Según el IMN (2011), la ubicación de nuestro país en esta región le confiere características tropicales a su entorno ecológico: bosques, red hidrográfica, suelos y clima. El clima tropical de nuestro país, es modificado por diferentes factores como el relieve (la disposición de las montañas, llanuras y mesetas), la situación con respecto al continente (condición ístmica), la influencia oceánica (los vientos o las brisas marinas, la temperatura de las corrientes marinas) y la circulación general de la atmósfera. Sumado a este hecho, cabe mencionar la gran actividad sísmica presente producto de la zona sísmica donde se encuentra y la influencia de las placas locales que la atraviesan.

Este factor climático, sumado a la mala calidad de los suelos presentes en nuestro territorio se ven reflejados en catástrofes ocurridas producto de fallas en taludes naturales. La presencia constante e impredecible de fenómenos naturales severos a los que se ve expuesto nuestro país como tormentas, huracanes y sismos ha causado fuertes daños a la población a lo largo de los años. Los daños sociales producto de dichas catástrofes han llegado hasta niveles fatídicos. Familias y pueblos enteros se han visto afectados en la mayoría de los casos con pérdidas humanas. Ejemplos claros y recientes, se han presentado en la Ruta 27 San José-Caldera, en la cual, los problemas de inestabilidad de laderas y desprendimiento de material rocoso casi desde su inauguración en febrero del 2010, dejó como saldo una persona fallecida. Los continuos cierres de la ruta 32 San José-Limón producto de derrumbamientos, han provocado innumerables accidentes con pérdidas humanas.

Los sismos por su parte no se quedan de lado, no sólo por los efectos inmediatos que puedan resultar producto del mismo, sino por las alteraciones que acarrean; por ejemplo el desbordamiento de ríos y el caso que nos compete derrumbes e inestabilidad en los suelos. Según el diaro La Nación (2009), el devastador terremoto ocurrido en Cinchona en el 2009, que dejó a su paso 23 fallecidos, 17 desaparecidos, alrededor de 400 casas destruidas y miles de personas fueron evacuadas; produjo 180 deslizamientos y el cambio de curso del río Sarapiquí.

Es cierto que el ser humano no puede controlar la ocurrencia de este tipo de eventos; pero debe buscar, en la medida de lo posible mitigar los daños que estos puedan provocar. Por la condiciones antes mencionadas, Costa Rica tendría un gran avance si se logrará implementar sistemas de alerta temprana que permitieran detectar la falla de un talud, con ello tendría una mejor capacidad de reacción si se requiere evacuar o incluso determinar zonas de riesgo existentes. De ahí la importancia de esto proyecto, pues conociendo el comportamiento de los suelos bajo condiciones excesivas de lluvia y la influencia que tienen sobre los parámetros de resistencia; permitiría salvaguardar muchas vidas y evitar tanta destrucción.

No solo es claro, que el problema planteado, se ubica dentro de las áreas de estudio de la Escuela de Construcción y específicamente dentro del área de la geotecnia, sino que concuerda fuertemente con los más altos objetivos o lineamientos de nuestra Institución, al propiciar el mejoramiento de la sociedad costarricense, con mejores técnicas para reducir su vulnerabilidad ante la ocurrencia de un desastre natural como son los deslizamientos, sobre todo contribuyendo con las clases más necesitadas, que lamentablemente son las más afectadas. Más específicamente podemos citar que se enmarca dentro de los lineamientos Institucionales de sostenibilidad, e innovación de sobremanera.

8

ESTADO DEL ARTE 1. Sistema de Alerta Temprana de Centroamérica SATCA A nivel centroamericano, existe un sistema de alerta temprana desarrollado por el Programa Mundial de Alimentos (PMA) de la Organización de las Naciones Unidas (ONU), en un trabajo conjunto y basados en experiencias similares a nivel internacional con la implementación de un sistema similar al SATCAweb, llamado Humanitarian Early Warning Service (HWESweb) el cual, desde el 2004 funciona recopilando y brindando información de alerta sobre posibles fenómenos naturales en África, Asia y América Latina. La creación de este último sistema fue un trabajo conjunto que contó con la participación y asesoría de diversas entidades internacionales como US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Dartmouth Flood Observatory, US Geological Service (USGS), Smithsonian y otras instituciones, así como también las agencias de las Naciones Unidas.

Según SATCAweb (2009), dicho programa tiene como propósito fundamental “fortalecer la capacidad de anticipar posibles amenazas naturales en Centroamérica para mejorar la preparación, mitigación y respuesta humanitaria. Con este propósito, SATCA fortalece los sistemas de alerta temprana en la región centroamericana a través de una plataforma Web regional dedicado al monitoreo de posibles amenazas naturales.”

Este sistema (SATCAweb, 2009) es de gran utilidad para las entidades que están encargadas de monitorear y desarrollar sistemas de alerta temprana en cada uno de los países miembros. Al ser un sistema derivado del HWESweb, comparten las siguientes premisas:     

La multiplicidad de fuentes de información El carácter regional de los fenómenos naturales Diversas definiciones y nomenclaturas Las emergencias exigen respuestas inmediatas De lo científico y técnico a un lenguaje para el público

Al hecho de usar estos parámetros como base para su desarrollo e implementación ha sido beneficiosa para los países miembros, pues al tener acceso a datos representativos se ha logrado la puesta en práctica de diversos sistemas de alerta temprana a nivel centroamericano, a continuación un listado de las herramientas que se han desarrollado.

Actualmente en Centroamérica se encuentran funcionando los siguientes sistemas (CRID, 2009):             

Herramienta 1: Detector de niveles de agua para ríos. Costa Rica Herramienta 2: Instrumentos para el monitoreo de remociones en masa: medidor de movimientos de ladera y detector de flujos de lodo y escombros. Guatemala Herramienta 3: Diseño del sistema de alerta temprana con método integrado histórico geomorfológico.

Honduras Herramienta 4: Guía de Pluviómetros y Limnímetros. El Salvador Herramienta 5: Cuadro de pluviometría. El Salvador Herramienta 6: Manual “Curso de preparación comunitaria para la gestión de riesgo”. Panamá Herramienta 7: Manual “Funcionamiento de la red de monitores locales y el Centro Micro-regional de Información, Monitoreo y Alerta Temprana (CEMIMAT)”. El Salvador Herramienta 9: Mapa con criterios para el Establecimiento de alertas ante ciclones tropicales. Guatemala Herramienta 10: Manual de uso y mantenimiento de la radiocomunicación (en MisQUitO). Honduras Herramienta 11: Metodología de capacitación en SAT, caso zona Montreal, municipio Mejicanos. El Salvador.

Herramienta 12: Campaña de comunicación: reducción de la vulnerabilidad ante tsunamis en la Costa Pacífica de Nicaragua Herramienta 13: Manual de capacitación de SAT comunitario por inundaciones. Honduras Herramienta 14: Campaña de sensibilización y educación. El Salvador

9

2. Experiencias Nacionales

2.1

Sectorización por Niveles de Riesgo para la Carretera Braulio Carillo. (Corrales, 1999)

A nivel nacional se han realizado desde hace varios años estudios de cómo prevenir los efectos producidos por derrumbes, producto de la influencia de las precipitaciones, en la estabilidad de taludes. Corrales (1999), realizó un proyecto de graduación llamado “Sectorización por niveles de riesgo de la Carretera Braulio Carrillo”, en el cual planteó un sistema mediante el cual, conociendo el régimen hidrológico de determinada zona es posible conocer los distintos niveles de riesgos que se puedan presentar. Mediante el uso de Sistemas de Información Geográficos (SIG), que sirvieron para procesar la información recolectada del tramo en estudio. Se recolectaron datos como historial de movimientos de tierra por causas naturales, precipitaciones, curvas de nivel, fotografías aéreas, características geológicas, análisis hidrológicos, entre otros. Según Corrales (1999) conociendo datos de precipitación de la zona se puede definir un régimen hidrológico que considere los efectos de la misma en la estabilidad de los materiales, sin dejar de lado información existente producto de otras investigaciones que relacionen la inestabilidad de los taludes con la precipitación. Con dicha información (Corrales, 1999) pudo determinar un mapa donde señalaba los diversos niveles de riesgo a lo largo del tramo estudiado. La asignación de los niveles de riesgo se basó en métodos probabilísticos de análisis, producto de registros de ocurrencia de deslizamientos; de ahí lo representativo de los resultados. Una vez definida la zonificación de riesgos, (Corrales, 1999) planteó las recomendaciones pertinentes a tomar en cuenta, de acuerdo a la zonificación obtenida, para mitigar los daños producto de deslizamientos.

2.2

Sistemas de Alerta para la Prevención de Deslizamientos por Lluvia (Vargas, 2002)

Otro estudio fue realizado en Costa Rica para dos casos concretos, donde los deslizamientos por lluvia eran frecuentes. Se trata del Cerro Tapezco y la Carretera Braulio Carrillo. Vargas (2002) definió una metodología para sistemas de alarma enfocados a la prevención de deslizamientos por lluvia. Vargas (2002) planteó una división en los sistemas de alarma. Habla de sistemas regionales, si se registran variables temporales como lluvias y además ocupan una zona amplia; por otro lado, habla de sistemas para sitios específicos, si se registran datos de deslizamientos individuales particularmente peligrosos. Los sistemas de alerta se basan en la vigilancia de parámetros indicadores de inestabilidad potencial: deslizamiento, velocidad, aceleración, lluvia, presión de poros. De acuerdo con la observación continua de estos parámetros en el tiempo, y conociendo los comportamientos críticos asociados con deslizamientos, es posible determinar cuándo una situación de riesgo se encuentra en proceso y de esta manera, detectar un estado de alerta. (Vargas, 2002). Según Vargas (2002), la clave del éxito en un sistema de alarma radica en el concepto de sistema integral. El autor, lo divide en tres subsistemas que son: subsistemas de detección (vigilancia), subsistema de gerencia (ente coordinador de los estados de alerta) y subsistema de respuesta (grupos sociales amenazados por el deslizamiento). A su vez, menciona la relevancia del tiempo, pues es crucial tener vigilancia en tiempo real y un adecuado sistema de recolección de datos, según los parámetros a medir. Un adecuado proceso de selección tomando en cuenta las tecnologías disponibles y criterios como costo, precisión, exposición a daños son parte fundamental de la definición de un sistema de alerta.

3

Influencia de la Precipitación en la Estabilidad de Taludes

Producto de los problemas mencionados en el punto anterior sobre la influencia de las precipitaciones y los algunos mecanismos o sistemas que se han implementado en el país para mitigar los daños, es que, los estudios de estabilidad de taludes han tomado fuerza y han aumentado en Costa Rica. Para mencionar dos ejemplos concisos se tratará brevemente los estudios de proyectos de graduación de estudiantes del Tecnológico de Costa Rica de la Universidad de Costa Rica, respectivamente.

3.1. Análisis de la influencia de la precipitación en el esfuerzo de succión y la estabilidad de un talud.

(Valverde, 2010)

10

Valverde (2010), trabajó con un talud natural, el cual mediante instrumentación, sometió a análisis durante un periodo de un año. Midiendo parámetros como intensidad de lluvia, contenido de humedad, peso específico y succión, Valverde (2010) determinó los FS del talud mediante métodos determinísticos (Fellenius y Bishop) y probabilísticos (Rosenblueth), y llegó a la conclusión de que la succión está directamente relacionada con el FS del talud en estudio. Como se ha demostrado con otros estudios la relación inversamente proporcional de la humedad en la succión del suelo, se evidencia que aumentos en el contenido de un humedad del suelo, provocados por periodos intensos y sostenidos de precipitación, repercuten negativamente en la succión, razón por la cual Vargas (2010) observó disminuciones del FS hasta en 8% para todos los casos.

3.2. Análisis del efecto de la cohesión aparente en el cálculo de la estabilidad de taludes. (Castillo, 2010) Castillo (2010), en su tesis de licenciatura analiza la variación del FS de taludes cuya altura es en un caso el doble de la otra. Mediante la aplicación de un software y utilizando valores de 5 tipos de suelos, para diferentes contenidos de humedad en cada caso, observó el comportamiento de los taludes y determinó los efectos en la variación de dichos parámetros. Castillo (2010) determinó que, la resistencia del suelo varía con el grado de saturación, como se detallará en el marco teórico, debido a que el esfuerzo de succión influye en el estado de esfuerzos según el tipo de suelo y la distribución de las partículas. A la vez observó que, variaciones en la altura de un talud son significativas en cuanto al FS, mas no así cuando se varía la pendiente del mismo. Mediante análisis probabilístico comprobó que el FS de un talud, es más sensible a la disminución en la cohesión del suelo que a la debida a su peso específico y que la falla de un talud no se alcanza precisamente cuando el suelo se encuentra en su grado máximo de saturación.

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PLAN DE ACCIÓN Para cada objetivo específico, indique el producto o productos a obtener, las actividades que deben llevarse a cabo para el logro de cada producto, el período en el que se realizará cada una de las actividades y el o la responsable de cada una de las actividades. Debe incluirse la presentación de informes semestrales y final y el tiempo requerido para la preparación de publicaciones.

Objetivo General: 1. Evaluar la relación entre la precipitación, el esfuerzo de succión y el movimiento de un talud mediante su instrumentación en modelos a escala reducida.

2. Establecer la correlación entre la influencia de la precipitación y la estabilidad de un talud para la determinación de la amenaza de taludes a escala natural.

Objetivo Específico

Productos

Responsable por actividad

Actividades

Estudio bibliográfico y análisis dimensional

RB

2. Instrumentación del talud a Modelo a escala escala reducida para reducido de un talud. determinar potenciales superficies de falla.

Construcción del modelo.

GR

3. Estimar los parámetros de resistencia cortante de la masa de suelo mediante pruebas de resistencia cortante para diferentes condiciones de saturación.

Ensayos de laboratorio

1. Determinar las características dimensionales y propiedades de la masa de suelo, para el modelo a escala reducida.

4. Determinar la Curva Característica Suelo-Agua para la masa de suelo de los taludes modelados.

Dimensiones del talud y características del suelo.

Propiedades de los suelos y otros parámetros pertinentes.

Curva característica

Análisis de los resultados de los ensayos y determinación de la curva.

GR

RB

12

CRONOGRAMA Actividad 1.Determinar las características dimensionales y propiedades de la masa de suelo, para el modelo a escala reducida 2.Instrumentación del talud a escala reducida para determinar potenciales superficies de falla 3.Estimar los parámetros de resistencia cortante de la masa de suelo mediante pruebas de resistencia cortante para diferentes condiciones de saturación.

Año 1 I II III IV X X

X

Año 2 II III IV

I

Año 3 II III IV

X X

X

4.Determinar la Curva Característica Suelo-Agua para la masa de suelo de los taludes modelados.

Divulgación Informes

I

X

X

X

X X

13

METODOLOGÍA

A. Posibles superficies de falla Mediante la instrumentación adecuada del talud modelo se pretende determinar las posibles superficies de falla del mismo. Para la selección de la instrumentación de importante conocer cuáles son los dispositivos más utilizados para las variables que se requieren medir, mencionadas en la sección anterior, así como su disponibilidad en el mercado, y costos asociados. Debido a que este proceso de selección se sale de los conocimientos del área que compete este proyecto se puede subcontratar una consultoría a algún profesional especialista en el ámbito.

B. Caracterización de las muestras de suelo Antes de la caracterización, cabe destacar que se pretende probar dos muestras de suelo. De preferencia un suelo arcilloso y uno arenoso. Esto por razones de tener alguna idea de los valores esperados producto de la caracterización y además tomando en cuenta que son suelos comunes en Costa Rica.

El proceso de caracterización, una vez determinados los tipos de suelo, se llevará a cabo mediante la aplicación de las pruebas de laboratorio necesarias para obtener los parámetros que caractericen las muestras de suelo con la que se va a construir el modelo a escala reducida del talud. Dichas pruebas son:         

Granulometría Límites de Atterberg Sedimentación Próctor Modificado Compresión Triaxial Compresión Inconfinada Corte Directo Gravedad Específica Mineralogía Una vez caracterizada la muestra, se procede a determinar la Curva Característica Suelo-Agua.

C. Recomendaciones Definidos y estudiados los parámetros del suelo a utilizar en los modelos, y analizados los efectos de la precipitación en las variables y por ende en la estabilidad del talud, se cuenta con criterio suficiente y respaldado sobre acciones correctivas y medidas preventivas mediante las cuales se pretende evitar una catástrofe.

Especifique el nombre del medio en el cual se hará la comunicación de la información cuando corresponda:

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EVALUACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL Indique si durante la realización de las diferentes actividades del proyecto, se podrían presentar los diferentes aspectos enunciados a continuación si

no

Generación de desechos o posibles sobrantes de carácter biológico o químico, que por sus características no pueda ser enviado a un relleno sanitario junto con los desechos ordinarios

☐

X

Emisiones de sustancias al aire

☐

X

Utilización de sustancias radioactivas

☐

X

Corta de árboles o cambios en el uso del suelo

☐

X

Contaminación de las áreas silvestres protegidas (lagos, bosques, etc.)

☐

X

Utilización de especies vegetales o animales protegidas

☐

X

Generación de aguas residuales que no puedan ser manejadas por el sistema de tratamiento de aguas del Instituto Tecnológico de Costa Rica

☐

X

Generación excesiva de ruido o vibraciones

☐

X

Justificación y acciones de mitigación (cuando corresponda)

PLAN DE ADMINISTRACIÓN DEL RIESGO Con base en la Ley de Control Interno, la valoración del riesgo es la identificación y análisis de los riesgos que enfrenta el proyecto, tanto de fuentes internas como externas, relevantes para la consecución de objetivos, con el fin de determinar cómo se deben administrar dichos riesgos Acciones de mitigación de los Objetivo específico Posibles riesgos posibles impactos 1.Determinar las características Determinaciones no precisas de las Asesoría con expertos y buscar dimensionales y propiedades de la dimensiones y características del referencias expertas. masa de suelo, para el modelo a escala suelo. reducida Validación de las dimensiones con consultas a expertos.

2.Instrumentación del talud a escala Dificultades en la construcción del Búsqueda de referencias o bibliografía reducida para determinar potenciales modelo. sobre la construcción e superficies de falla Dificultades en la instrumentación del instrumentación de modelos. modelo.

Contactar a expertos nacionales e internacionales sobre la materia.

Expertos conocidos del doctor Baltodano.

3.Estimar los parámetros de resistencia cortante de la masa de suelo mediante pruebas de resistencia cortante para diferentes condiciones de saturación.

4.Determinar la Curva Característica Suelo-Agua para la masa de suelo de los taludes modelados.

Obtención de parámetros erróneos.

Idem 3.

Definir un tiempo suficiente(extenso) para realizar estas actividades, considerando que sería la primera vez que hace..

Repetición de pruebas y adecuado número de pruebas.

Idem 3.

15

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PRESUPUESTO

Rubro GASTOS OPERATIVOS 1.0.0.0 Servicios 1.1.0.0 Alquileres 1.1.2.0 Alquiler de maquinaria, equipo y mobiliario 1.3.0.0 Servicios comerciales y financieros 1.3.2.2 Otros medios 1.3.3.0 Impresión, encuadernación y otros 1.4.0.0 Servicios de gestión y apoyo 1.4.1.0 Servicios médicos y de laboratorio 1.4.6.0 Servicios generales 1.4.9.0 Otros servicios de gestión y apoyo

Año I

¢100.000.00

Año II

Año III

Total

¢50,000.00

¢600,000.00

1.5.0.0 Gastos de viaje y de transporte 1.5.1.0 Transporte dentro del país 1.5.2.0 Viáticos dentro del país 1.8.0.0 Mantenimiento y reparación 1.8.5.0 Mant y rep equipo de transporte 1.8.9.0 Mant y rep otros equipos 2.1.0.0 Productos químicos y conexos 2.1.1.0 Combustibles y lubricantes 2.1.9.1 Otros productos químicos 2.1.4.0 Tintas, pinturas y diluyentes

¢ 50,000.00

2.2.0.0 Alimentos y productos agropecuarios 2.2.2.1 Productos agroforestales 2.2.3.1 Alimentos y bebidas

¢ 50,000.00

¢ 50,000.00

¢50,000.00

¢50,000.00

2.3.0.0 Materiales y producción de uso en la construcción y mantenimiento 2.3.1.1 Materiales y productos metálicos 2.3.2.1 Material y productos Mineros y asfalticos 2.3.4.1 Materiales y productos elec, telef y de comp 2.4.0.0 Herramientas, repuestos y accesorios 2.4.1.1 Herramientas e instrumentos 2.4.2.1 Repuestos y accesorios 2.5.0.0 Útiles, materiales y suministros diversos

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2.5.1.1 Útiles y materiales de oficina y cómputo 2.5.2.1 Útiles y mat médico, hosp y de inv 2.5.3.1 Productos de papel, cartón e impresos 2.5.9.0 Otros útiles, mat y suministros 6.2.0.0 Transferencias corrientes a personas 6.2.2.7 Becas estudiante asistente especial 9.0.0.0 Cuentas especiales 9.5.1.0 Servicio unidad de transportes 9.5.2.0 Servicio unidad de publicaciones MAQUINARIA Y EQUIPO 5.0.0.0 Bienes duraderos 5.1.1.5 Maquinaria y equipo para la producción 5.1.4.0 Equipo y mobiliario de oficina 5.1.5.0 Equipo y programas de cómputo 5.1.6.0 Equipo sanitario, de lab e inv 5.1.80. Maquinaria y equipo diverso

Subtotal VIE

¢ 50,000.00

¢50,000.00

¢100,000.00

¢50,000.00

¢1,600,000.00

¢1,100,000.00

¢500,000.00 ¢500,000.00

¢3,650,000.00

¢1,350,000.00

OTRAS FUENTES Aportes de la Escuela Aporte Externo TOTAL

₡5,000.000,00

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FINANCIAMIENTO EXTERNO En el siguiente cuadro indique, según el tipo de fuente externa, el nombre de la entidad, monto solicitado y estado en que se encuentra el trámite de aprobación. En el caso de contar con la aprobación, anexar carta oficial de la entidad

Fuente FEES Programa de Regionalización CONICIT-MICIT Empresa privada Entidad sin fines de lucro Organismo internacional Otro

Subpartida 1.3.3.0 1.4.1.0 2.1.4.0 2.2.3.1 2.3.2.1 2.5.9.0 6.2.2.7 2.5.3.1 5.1.5.0 5.1.6.0

Nombre

Monto

Estado de trámite

JUSTIFICACIÓN DE PRESUPUESTO Justificación Servicio fotocopia y empastes Ensayos de laboratorio.

Spray, pinturas para el modelo.

Atención de reuniones Compra de materiales de prueba.

Materiales varios para construir el modelo Pago de asistentes Papelería Compra de software Compra de equipo de laboratorio.

Detalle de la maquinaria y equipo: Equipo de laboratorio para instrumentar el modelo a escala como por ejemplo: exténsometros, inclinómetros, medidores de humedad.

Equipo varios como aspersores y pluviómetros.

ADJUNTAR 1. Propuesta impresa y en digital 2. Acuerdo de Escuela coordinadora indicando aprobación de la propuesta, investigadores participantes, número de horas, origen de las plazas y período de participación de cada uno.

3. Acuerdo de escuelas colaboradoras indicando aprobación de la propuesta, investigadores participantes, número de horas, origen de las plazas y período de participación de cada uno.

4. Carta de apoyo del Programa de Investigación VIE (Nanotecnología, PELTEC, eScience, u otro), cuando corresponda.

5. Carta de aceptación del grupo beneficiario, o del sector externo cuando corresponda.

Remitir previamente Ficha del Investigador actualizada de cada uno de los participantes a ileon@itcr.ac.cr

VIE-DIP-02/2013

Elaborado por Maribel Jiménez

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Anexo 1 Aspectos generales

Antecedentes Sistemas de alerta Si bien los fenómenos naturales no se pueden controlar, gracias a la aplicación de nuevas tecnologías se pueden predecir de una manera más eficiente y representativa, esto con el fin de mitigar y reducir los daños económicos y humanos que puedan afectar a las poblaciones más vulnerables.

Experiencias Internacionales

Sistema de Alerta Temprana de Centroamérica SATCA A nivel centroamericano, existe un sistema de alerta temprana desarrollado por el Programa Mundial de Alimentos (PMA) de la Organización de las Naciones Unidas (ONU), en un trabajo conjunto y basados en experiencias similares a nivel internacional con la implementación de un sistema similar al SATCAweb, llamado Humanitarian Early Warning Service (HWESweb) el cual, desde el 2004 funciona recopilando y brindando información de alerta sobre posibles fenómenos naturales en África, Asia y América Latina. La creación de este último sistema fue un trabajo conjunto que contó con la participación y asesoría de diversas entidades internacionales como US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Dartmouth Flood Observatory, US Geological Service (USGS), Smithsonian y otras instituciones, así como también las agencias de las Naciones Unidas.

Según SATCAweb (2009), dicho programa tiene como propósito fundamental “fortalecer la capacidad de anticipar posibles amenazas naturales en Centroamérica para mejorar la preparación, mitigación y respuesta humanitaria. Con este propósito, SATCA fortalece los sistemas de alerta temprana en la región centroamericana a través de una plataforma Web regional dedicado al monitoreo de posibles amenazas naturales.”

Este sistema (SATCAweb, 2009) es de gran para las entidades que están encargadas de monitorear y desarrollar sistemas de alerta temprana en cada uno de los países miembros. Al ser un sistema derivado del HWESweb, comparten las siguientes premisas:     

La multiplicidad de fuentes de información El carácter regional de los fenómenos naturales Diversas definiciones y nomenclaturas Las emergencias exigen respuestas inmediatas De lo científico y técnico a un lenguaje para el público

Al hecho de usar estos parámetros como base para su desarrollo e implementación ha sido beneficiosa para los países miembros, pues al tener acceso a datos representativos se ha logrado la puesta en práctica de diversos sistemas de alerta temprana a nivel centroamericano, a continuación un listado de las herramientas que se han desarrollado.

Actualmente en Centroamérica se encuentran funcionando los siguientes sistemas (CRID, 2009): 

Herramienta 1: Detector de niveles de agua para ríos. Costa Rica

           

Herramienta 2: Instrumentos para el monitoreo de remociones en masa: medidor de movimientos de ladera y detector de flujos de lodo y escombros. Guatemala Herramienta 3: Diseño del sistema de alerta temprana con método integrado histórico geomorfológico.

Honduras Herramienta 4: Guía de Pluviómetros y Limnímetros. El Salvador Herramienta 5: Cuadro de pluviometría. El Salvador Herramienta 6: Manual “Curso de preparación comunitaria para la gestión de riesgo”. Panamá Herramienta 7: Manual “Funcionamiento de la red de monitores locales y el Centro Micro-regional de Información, Monitoreo y Alerta Temprana (CEMIMAT)”. El Salvador Herramienta 9: Mapa con criterios para el Establecimiento de alertas ante ciclones tropicales. Guatemala Herramienta 10: Manual de uso y mantenimiento de la radiocomunicación (en MisQUitO). Honduras Herramienta 11: Metodología de capacitación en SAT, caso zona Montreal, municipio Mejicanos. El Salvador.

Herramienta 12: Campaña de comunicación: reducción de la vulnerabilidad ante tsunamis en la Costa Pacífica de Nicaragua Herramienta 13: Manual de capacitación de SAT comunitario por inundaciones. Honduras Herramienta 14: Campaña de sensibilización y educación. El Salvador

Experiencias Nacionales Sectorización por Niveles de Riesgo para la Carretera Braulio Carillo. (Corrales, 1999) A nivel nacional se han realizado desde hace varios años estudios de cómo prevenir los efectos producidos por derrumbes, producto de la influencia de las precipitaciones, en la estabilidad de taludes. Corrales (1999), realizó un proyecto de graduación llamado “Sectorización por niveles de riesgo de la Carretera Braulio Carrillo”, en el cual planteó un sistema mediante el cual, conociendo el régimen hidrológico de determinada zona es posible conocer los distintos niveles de riesgos que se puedan presentar. Mediante el uso de Sistemas de Información Geográficos (SIG), que sirvieron para procesar la información recolectada del tramo en estudio.

Se recolectaron datos como historial de movimientos de tierra por causas naturales, precipitaciones, curvas de nivel, fotografías aéreas, características geológicas, análisis hidrológicos, entre otros. Según Corrales (1999) conociendo datos de precipitación de la zona se puede definir un régimen hidrológico que considere los efectos de la misma en la estabilidad de los materiales, sin dejar de lado información existente producto de otras investigaciones que relacionen la inestabilidad de los taludes con la precipitación.

Con dicha información (Corrales, 1999) pudo determinar un mapa donde señalaba los diversos niveles de riesgo a lo largo del tramo estudiado. La asignación de los niveles de riesgo se basó en métodos probabilísticos de análisis, producto de registros de ocurrencia de deslizamientos; de ahí lo representativo de los resultados. Una vez definida la zonificación de riesgos, (Corrales, 1999) planteó las recomendaciones pertinentes a tomar en cuenta, de acuerdo a la zonificación obtenida, para mitigar los daños producto de deslizamientos.

Sistemas de Alerta para la Prevención de Deslizamientos por Lluvia (Vargas, 2002) Otro estudio fue realizado en Costa Rica para dos casos concretos, donde los deslizamientos por lluvia eran frecuentes. Se trata del Cerro Tapezco y la Carretera Braulio Carrillo. Vargas (2002) definió una metodología para sistemas de alarma enfocados a la prevención de deslizamientos por lluvia.

Vargas (2002) planteó una división en los sistemas de alarma. Habla de sistemas regionales, si se registran variables temporales como lluvias y además ocupan una zona amplia; por otro lado, habla de sistemas para sitios específicos, si se registran datos de deslizamientos individuales particularmente peligrosos.

Los sistemas de alerta se basan en la vigilancia de parámetros indicadores de inestabilidad potencial: deslizamiento, velocidad, aceleración, lluvia, presión de poros. De acuerdo con la observación continua de estos parámetros en el tiempo, y conociendo los comportamientos críticos asociados con deslizamientos, es posible determinar cuándo una situación de riesgo se encuentra en proceso y de esta manera, detectar un estado de alerta. (Vargas, 2002) Según Vargas (2002), la clave del éxito en un sistema de alarma radica en el concepto de sistema integral. El autor, lo divide en tres subsistemas que son: subsistemas de detección (vigilancia), subsistema de gerencia (ente coordinador de los estados de alerta) y subsistema de respuesta (grupos sociales amenazados por el deslizamiento). A su vez, menciona la relevancia del tiempo, pues es crucial tener vigilancia en tiempo real y un adecuado sistema de recolección de datos, según los parámetros a medir. Un adecuado proceso de selección tomando en cuenta las tecnologías disponibles y criterios como costo, precisión, exposición a daños son parte fundamental de la definición de un sistema de alerta.

Influencia de la Precipitación en la Estabilidad de Taludes Producto de los problemas mencionados en el punto anterior sobre la influencia de las precipitaciones y los algunos mecanismos o sistemas que se han implementado en el país para mitigar los daños, es que, los estudios de estabilidad de taludes han tomado fuerza y han aumentado en Costa Rica. Para mencionar dos ejemplos concisos se tratará brevemente los estudios de proyectos de graduación de estudiantes del Tecnológico de Costa Rica de la Universidad de Costa Rica, respectivamente.

Análisis de la influencia de la precipitación en el esfuerzo de succión y la estabilidad de un talud (Valverde, 2010).

Valverde (2010), trabajó con un talud natural, el cual mediante instrumentación, sometió a análisis durante un periodo de un año.

Midiendo parámetros como intensidad de lluvia, contenido de humedad, peso específico y succión, Valverde (2010) determinó los FS del talud mediante métodos determinísticos (Fellenius y Bishop) y probabilísticos (Rosenblueth), y llegó a la conclusión de que la succión está directamente relacionada con el FS del talud en estudio.

Como se ha demostrado con otros estudios la relación inversamente proporcional de la humedad en la succión del suelo, se evidencia que aumentos en el contenido de un humedad del suelo, provocados por periodos intensos y sostenidos de precipitación, repercuten negativamente en la succión, razón por la cual Vargas (2010) observó disminuciones del FS hasta en 8% para todos los casos.

Análisis del efecto de la cohesión aparente en el cálculo de la estabilidad de taludes. (Castillo, 2010) Castillo (2010), en su tesis de licenciatura analiza la variación del FS de taludes cuya altura es en un caso el doble de la otra. Mediante la aplicación de un software y utilizando valores de 5 tipos de suelos, para diferentes contenidos de humedad en cada caso, observó el comportamiento de los taludes y determinó los efectos en la variación de dichos parámetros.

Castillo (2010) determinó que, la resistencia del suelo varía con el grado de saturación, como se detallará en el marco teórico, debido a que el esfuerzo de succión influye en el estado de esfuerzos según el tipo de suelo y la distribución de las partículas. A la vez observó que, variaciones en la altura de un talud son significativas en cuanto al FS, mas no así cuando se varía la pendiente del mismo.

Mediante análisis probabilístico comprobó que el FS de un talud, es más sensible a la disminución en la cohesión del suelo que a la debida a su peso específico y que la falla de un talud no se alcanza precisamente cuando el suelo se encuentra en su grado máximo de saturación.

Justificación Riesgos en la población Debido a la zona geográfica en la que se encuentra, Costa Rica es un país tropical. Según el IMN (2011), la ubicación de nuestro país en esta región le confiere características tropicales a su entorno ecológico: bosques, red hidrográfica, suelos y clima. El clima tropical de nuestro país, es modificado por diferentes factores como el relieve (la disposición de las montañas, llanuras y mesetas), la situación con respecto al continente (condición ístmica), la influencia oceánica (los vientos o las brisas marinas, la temperatura de las corrientes marinas) y la circulación general de la atmósfera. Sumado a este hecho, cabe mencionar la gran actividad sísmica presente producto de la zona sísmica donde se encuentra y la influencia de las placas locales que la atraviesan.

Este factor climático, sumado a la mala calidad de los suelos presentes en nuestro territorio se ven reflejados en catástrofes ocurridas producto de fallas en taludes naturales. La presencia constante e impredecible de fenómenos naturales severos a los que se ve expuesto nuestro país como tormentas, huracanes y sismos ha causado fuertes daños a la población a lo largo de los años. Los daños sociales producto de dichas catástrofes han llegado hasta niveles fatídicos. Familias y pueblos enteros se han visto afectados en la mayoría de los casos con pérdidas humanas. Ejemplos claros y recientes, se han presentado en la Ruta 27 San José-Caldera, en la cual, los problemas de inestabilidad de laderas y desprendimiento de material rocoso casi desde su inauguración en febrero del 2010, dejó como saldo una persona fallecida. Los continuos cierres de la ruta 32 San José-Limón producto de derrumbamientos, han provocado innumerables accidentes con pérdidas humanas.

Los sismos por su parte no se quedan de lado, no sólo por los efectos inmediatos que puedan resultar producto del mismo, sino por las alteraciones que acarrean; por ejemplo el desbordamiento de ríos y el caso que nos compete derrumbes e inestabilidad en los suelos. Según el diaro La Nación (2009), el devastador terremoto ocurrido en Cinchona en el 2009, que dejó a su paso 23 fallecidos, 17 desaparecidos, alrededor de 400 casas destruidas y miles de personas fueron evacuadas; produjo 180 deslizamientos y el cambio de curso del río Sarapiquí.

Es cierto que el ser humano no puede controlar la ocurrencia de este tipo de eventos; pero debe buscar, en la medida de lo posible mitigar los daños que estos puedan provocar. Por la condiciones antes mencionadas, Costa Rica tendría un gran avance si se logrará implementar sistemas de alerta temprana que permitieran detectar la falla de un talud, con ello tendría una mejor capacidad de reacción si se requiere evacuar o incluso determinar zonas de riesgo existentes. De ahí la importancia de esto proyecto, pues conociendo el comportamiento de los suelos bajo condiciones excesivas de lluvia y la influencia que tienen sobre los parámetros de resistencia; permitiría salvaguardar muchas vidas y evitar tanta destrucción.

Costos para el país Los principales riesgos producto de la inestabilidad de los taludes de una carretera, son: la pérdida de vidas humanas, los daños materiales sobre la propiedad privada como terrenos, vehículos, productos y sobre obras de infraestructura como puentes, líneas de transmisión eléctrica o de telefonía y los daños ambientales. Los efectos de las inestabilidades en carreteras impactan a los usuarios en los tiempos de espera mientras se limpia la vía o se reconforman taludes, impactan el costo del transporte de bienes y servicios y actividades productivas como la agricultura y el turismo, además de provocar el congestionamiento de otras vías de menor capacidad. ACG (2010).

Si se habla de fallas en taludes naturales, existen en nuestro país muchos casos donde hay proyectos habitacionales en zonas de alto riesgos debido a la poca capacidad de soporte de los suelos, zonas donde se construyó sin ningún tipo de estudio y que con la influencia de fuertes periodos de lluvia se han visto los efectos.

Economizar haciendo este tipo de estudios antes de iniciar una obra, podría pasar una factura muy cara.

En el caso de los sismos, los daños económicos se traducen en daños en edificaciones, infraestructura, comercio; prácticamente en la economía de un país.

El denominador en común, lo representan los beneficios que se podrían obtener de la realización de dicho estudio. Determinando los efectos de las precipitaciones en taludes a escala y la influencia, mediante las pruebas respectivas, en los parámetros mecánicos de los suelos; se podrían implementar sistemas eficientes y reales que ayuden a reducir las amenazas y prevenir las catástrofes. A largo plazo en Costa Rica, la inversión no sería comparable a tener que reasentar poblados enteros, hacer reparaciones en infraestructura; en fin, hacerle frente a los daños, ya que generalmente este dinero sale de préstamos internacionales pues nunca se está preparado para afrontar este tipo de desastres.

Marco Teórico Succión Son muchos los modelos idealizados que se han implementado en la ingeniería para facilitar el desarrollo de diversas teorías, esto con el fin de tener comportamientos más uniformes y facilitar los procesos de diseño.

Se pueden mencionar entre muchos, la idealización de que el acero tiene un comportamiento elasto-plástico, en el caso del concreto se cuando se diseña una viga por flexión que se diseña con una distribución de esfuerzos cercanos a la falla que no se puede comprobar con certeza. Estos modelos si bien no se pueden asegurar del todo, mediante estudios y ensayos se ha demostrado que se obtienen resultados confiables. Nilson (1999) asegura que, las ecuaciones pertinentes para casos de mayor dificultad resultan cada vez más complicadas y largas, y lo que es más importante, resulta cada vez más difícil para el diseñador visualizar las bases físicas para los métodos y fórmulas de diseño; esto puede llevar a una confianza ciega en las fórmulas y generar una mala interpretación.

Tal es el caso que se quiere recalcar con el comportamiento de los suelos. Las teorías clásicas de la mecánica de suelos se basan en el supuesto de que el suelo se encuentra en condición saturada; con el paso del tiempo el incremento en la cantidad de estudios y seminarios evidencia la necesidad de ampliar este campo de estudio formado por los suelos no saturados. Además del hecho de que los resultados obtenidos y aplicados en suelos no saturados han sido en muchos casos poco representativos. Este supuesto ha generado sobredimensionamientos de estructuras con diseños muy conservadores que incrementan los costos de las obras y aún así han fallado. (Fredlund & Rhajardjo, 1993).

Es en este punto donde se introduce el concepto de succión. Un suelo saturado parte del hecho que su contenido de agua es el máximo, pues todos los vacíos entre partículas están llenos de agua y genera presiones intersticiales positivas. Por encima del nivel freático del suelo, se dan variaciones en el contenido de humedad y los vacíos que deja el agua van a ser llenados con aire. Se generan presiones negativas producto de las diferencias de presiones entre las fases presentes. Dichas variaciones en las propiedades mecánicas de los suelos como cambios en el volumen y disminución de la capacidad de corte directo del suelo son un claro indicio de los efectos negativos de la succión en el suelo.

Figura 1. Deformación y fenómeno del fluido del flujo cerca de la superficie en un depósito de suelo expansivo no saturado (Lu & Likos, 2004)

Esfuerzos de Succión El esfuerzo de succión se refiera a fuerzas de red entre partículas que se generan dentro de la matriz de suelos granulares no-saturados, debido a la combinación de efectos de la presión de poro de agua negativa y la tensión superficial. A nivel macroscópico, y como consecuencia del esfuerzo de succión, se genera una fuerza de atracción que tiende a unir las partículas de suelo unas con otra. Esta fuerza es similar en efecto y en convección de signos, a un esfuerzo de total o a una fuerza de sobrecarga. (Lu & Likos, 2004).

Una aproximación para evaluar la magnitud del esfuerzo de succión es considerar a nivel macroscópico las fuerzas que actúan entre y alrededor de un modelo idealizado del acoplamiento de partículas esféricas de un suelo no saturado. Considerando, por ejemplo el sistema de dos partículas mostrado en la figura 1. A bajos niveles de saturación de agua en el poro, o en el régimen pendular, las fuerzas entre partículas aumentan en la interfase airea-gua-sólido definiendo un menisco de poro de agua entre las partículas. La magnitud de la fuerza capilar que surge en este puente líquido entre las partículas puede ser analizado en función del contenido de agua, considerando la geometría local de la interfase aire-agua-sólido. (Lu & Likos, 2004)

Figura 2. Interacción agua-aire-suelo para dos partículas esféricas y menisco de agua: a) geometría toroidal de la interfase aire-agua-suelo y b) diagrama de cuerpo libre para análisis de fuerzas entre partículas. (Lu & Likos, 2004)

Deformación vrs Saturación

Definidos los conceptos anteriores se abre una gama posibilidades bajo las cuales los cambios en el grado de saturación del suelo pueden provocar variaciones en el esfuerzo de succión, estos se verán reflejados en el comportamiento de los suelos, particularmente cuando se habla de deformaciones.

Baltodano (2011), realizó una comparación entre el comportamiento de deformación que sufre un suelo al ser sometido a diferentes condiciones de esfuerzo. El material fue seleccionado de manera tal que aislara la contribución del esfuerzo de succión el en patrón de deformación del mismo. De ese modo se prepararon los especímenes tomando en cuenta el tipo suelo y el contenido de vacíos; así, con diferentes contenidos de agua se puede simular el efecto de saturación del suelo, dejando dos variables dependientes para el análisis que son: el esfuerzo de succión y la estructura del suelo. Las variables que se tomaron en cuenta para el análisis son: esfuerzo cortante horizontal, tensión volumétrica, estado crítico y deformaciones de tracción, para especímenes con la misma densidad pero diferentes grados de saturación.

Los resultados obtenidos por Baltodano (2011), reflejan que para un espécimen denso se presenta un comportamiento de doble pico, es decir, dos zonas donde los desplazamientos horizontales son mayores y se dan producto del grado de saturación. El mayor de ambos, presenta mayores deformaciones. Este patrón de comportamiento ya había sido analizado por Baltodano 2006. A pesar de ser más crítico para suelos granulares, en los cuales los mecanismos de saturación son menos complejos, el patrón de comportamiento es mismo para suelos finos; dándose una reducción de la resistencia cortante conforme aumenta el grado de saturación.

El patrón de deformación del suelo podría estar influenciado por los incrementos del esfuerzo normal efectivo, el cual a su vez está ligado al esfuerzo de succión. Este comportamiento podría provocar que un espécimen de suelo compactado se comporte como uno de suelo suelto.

Baltodano (2011) hace referencia al estado crítico, este se define como una última condición en la cual el cortante continúa indefinidamente sin presentar cambios en el volumen o el esfuerzo efectivo. Es decir que para un esfuerzo de confinamiento dado, la relación de vacíos crítica es aquella en la cual el espécimen termine con grandes deformaciones. Este contenido de vacíos crítico es independiente del valor inicial y del esfuerzo de confinamiento.

Se puede entonces, llegar al punto donde el esfuerzo cortante se mantiene constante pero se la deformación sigue aumentando. Cuando una arena suelta es sometida a un esfuerzo normal constante, el esfuerzo cortante puede aumentar hasta un valor máximo. Sin embargo, si el desplazamiento continúa el esfuerzo cortante se va mantener constante. Se realizaron pruebas del mismo material en condiciones densas y sueltas, en cuyo caso las curvas reflejan los cambios de volumen que se experimenten debido al esfuerzo cortante hasta alcanzar la línea de estado crítica. Un contenido crítico de vacío s menor al inicial indica que el espécimen sufrió contracción, por su parte uno con un contenido crítico mayor al inicial se ve afectado por la expansión.

Puede ocurrir (Baltodano, 2011) que especímenes densos tengan un comportamiento de especímenes sueltos.

Como el esfuerzo efectivo varía con el esfuerzo de succión, el cual a su vez actúa en función del grado de saturación, es de esperar que un incremento en el esfuerzo efectivo sea suficiente para trasladar el esfuerzo normal a la zona de contracción de la línea crítica de estado. Sin embargo cabe mencionar que un incremento en el esfuerzo efectivo, trae consigo un incremento en el esfuerzo de succión para rangos de esfuerzo pequeños.

Esto puede llevar a la conclusión de que cuando se trata se suelos no saturados, aparte del esfuerzo normal también la estructura y los mecanismos asociados a los regímenes de saturación tienen influencia en el patrón de deformación. Si bien el esfuerzo de succión en suelos granulares no tiene un efecto significativo en la resistencia al corte (Baltodano, 2006), el patrón de deformación sí es considerable aún a niveles bajos de esfuerzo.

El comportamiento de deformación del suelo, al ser afectado por el grado de saturación puede ser muy perjudicial en las aplicaciones de la ingeniería geotécnica, por ejemplo: construcciones de taludes, excavaciones con estructuras aledañas, muros de retención, entre otros.

Estabilidad de Taludes Según Das (2001) un talud es una superficie de terreno expuesta situada a un ángulo con la horizontal. Pueden ser construido o natural, en cuyo caso comúnmente se les llama laderas. En el caso de los taludes construidos se encuentran por ejemplo al urbanizar un terreno, construir una carretera o canal, y en general, cualquier estructura que para su construcción requiera corte o relleno de material.

La superficie del terreno, al no ser horizontal posee una componente vertical de la gravedad que provocará un deslizamiento del terreno, el cual ocurre generalmente sobre una superficie de falla. Dicha falla ocurre cuando esta componente gravitacional es mayor que la fuerza resistente de la resistencia al corte del terreno.

Figura 3. Falla de un talud.

Según Tapia (2005), este proceso de falla puede comprender tres etapas que permiten clasificar el movimiento del suelo:

Etapa de deterioro Se produce cuando el suelo, antes de fallar, se encuentra en condición estable y surgen factores que hacen variar sus condiciones de estabilidad. Se da, producto de los esfuerzos generados al realizar un corte en el terreno, tomando en cuenta que está expuesto a condiciones ambientales no controladas y a la acción humana.

En esta etapa hay presencia de una alteración química, física o mecánica además del desprendimiento de materiales.

Etapa de falla Cuando se da un desplazamiento significativo de volumen de material producto de el plano de debilidad generado (superficie de falla). En este punto el deslizamiento se puede presentar de diversas formas:       

Etapa de post-falla

Caída de bloques Inclinación o volteo Reptación Deslizamientos Esparcimiento lateral Flujos Avalanchas

Esta última abarca todos los efectos producto de la falla, es decir, los movimientos de masas de suelo ya desplazadas hasta un punto de total reposo. Se da un proceso de disminución de energía producto del choque entre partículas, remoldeo, fracturación o rompimiento de bloques y la desaceleración del movimiento, provocado por la fricción del material con la superficie que se desliza.

El proceso de falla antes mencionado evidencia la necesidad de un análisis de estabilidad de taludes, el cual comprende una comparación entre el esfuerzo cortante desarrollado a lo largo de la superficie más probable de falla y la resistencia cortante del suelo. (Das, 2001) A la vez, se deben tomar en cuenta factores como la estratificación del suelo, parámetros de resistencia cortante, infiltración a través del talud y la selección de la superficie de falla más representativa. Mediante dicho análisis se busca determinar un parámetro que sea representativo del suelo y las condiciones en la que este se encuentra.

El factor de seguridad da una idea de la estabilidad del talud y se obtiene como resultado de un exhaustivo modelaje e investigación.

Sin dejar de lado los factores antes mencionados, pues con todas las implicaciones que tienen las variaciones del grado de saturación del suelo en parámetros de resistencia y estabilidad, se debe poner especial atención en la fase de diseño, con mucha más razón si se trata de estructuras que están expuestas a condiciones climáticas severas y cambiantes.

Modelaje Al determinar el factor de seguridad de un talud se deben tomar en cuenta tanto las variables que dependen exclusivamente del suelo y sus propiedades, como las relacionadas específicamente con la geometría del mismo.

Para la determinación del modelo a escala reducida, inicialmente se están tomando en cuenta dos opciones. La primera es mediante la utilización de teorema llamado Buckingham´s Pi (Harris & Habins, 1999). En dicho teorema Buckingham (1914) define que “en cualquier ecuación dimensionalmente homogénea en la cual se involucren algunas cantidades físicas puede ser reducida a una ecuación igual involucrando toda una serie de productos adimensionales”. Dichos productos adimensionales son llamados términos Pi; la cantidad de términos generados en un caso particular se define como, la diferencia entre el número de cantidades a medir presentes en una ecuación y el número de unidades dimensionales presentes en la misma. Debido a que dichos términos Pi agrupan variables con las mismas unidades de medida, razón por la cual se convierten en términos adimensionales, es posible poner todos los términos de una ecuación en función de un par de variables.

Tomando como base un talud natural del cual se conocen todas sus variables, tanto mecánicas como geométricas, así como la superficie de falla del mismo y el factor de seguridad, se pretende recrear un talud a escala reducida variando las propiedades geométricas de manera tal, que el resultado sea una representación del talud madre.

Manteniendo constantes parámetros característicos del suelo como la cohesión, el peso específico y el ángulo de fricción y variando únicamente la geometría hasta hacer converger los valores.

Teniendo un modelo con un FS igual al del talud madre, se pueden analizar los efectos de la precipitación el comportamiento de talud modelo, inlcuso llevarlo a la falla. Teniendo dichos valores del talud modelo, se van a conocer los del talud madre y sería posible diseñar un sistema de alerta temprana que permite tomar acciones correctivas antes de que el talud falle.

La otra opción es basarse en experiencias similares (Loehr), utilizando factores o correlaciones obtenidas mediante experimentación que permitan representar un modelo acertado del comportamiento del suelo cuando se trabaja a una escala reducida.

Sistemas de Medición y Adquisición de Datos

Una vez seleccionado el método más representativo para construir el modelo, se pretende representar el comportamiento del suelo variando ciertas propiedades y determinando correlaciones o dependencias entre unas y otras.

Una vez definido el modelo se requiere colocar una serie de dispositivos que permitan mediciones de variables que van a permitir el análisis geotécnico. Se requiere medir que el modelo tenga:      

Regulador de precipitación: para medir volumen de agua caída, e intensidad Pluviómetros: para medir volumen Tensiómetros: para medir las presiones de agua y aire TDR (deformaciones): para medir la humedad del suelo Contenido de agua (electricidad): voltaje, humedad Sedimentador: peso, volumen de sedimentos

La implementación de dichos dispositivos al modelo pretende tener la posibilidad que procesar los resultados de manera tal que se puedan comparar y relacionar propiedades del suelo necesarias para determinar la estabilidad y resistencia del mismo. Además determinar puntos o rangos donde el talud modelo va a alcanzar la falla. Se pretende poder graficar:          

ε vs t I vs W% Ψ vs W% ε vs Ψ ε vs W% I vs erosión Su vs FS Su vs W% W% vs FS σ contra todas las anteriores

Donde: ε = deformación t = tiempo I= intensidad de lluvia W% = porcentaje de humedad Ψ = esfuerzo de succión Su = succión σ = esfuerzo efectivo