Geotechnical Code for Slopes and Hillsides of Costa RicaCódigo Geotécnico de Taludes y Laderas de Costa Rica

in the entirety of the text - Complete Text of Standard 02 Geotechnical Code for Slopes and Hillsides of Costa Rica Complete Text record: 107847 FEDERATED COLLEGE OF ENGINEERS AND ARCHITECTS "The Assembly of Representatives of the Federated College of Engineers and Architects, in its extraordinary session No. 02-14/15-A.E.R. dated July 28, 2015, agreed to the following:

GEOTECHNICAL CODE FOR SLOPES AND HILLSIDES OF COSTA RICA Costa Rican Geotechnical Association Technical Committee of the Costa Rica Foundations Code Drafting and Fundamental Outline Marcia Cordero Sandí Marlon Jiménez Jiménez Gastón Laporte Molina José Antonio Rodríguez Barquero José Pablo Rodríguez Calderón Sergio Sáenz Aguilar Marco Tapia Balladares Marco Valverde Mora Executive Secretary: Danilo A. Jiménez Ugalde Review Prof. Eng. Manuel García López Prof. Eng. Juan Diego Bauzá Castelló Prof. Eng. Geol. Sergio Mora Castro.

TABLE OF CONTENTS 1 Introduction ..................................................................................... .......................................................... 4 1.1 Philosophy....................................................................................... ............................................................ 4 1.2 Objective ....................................................................................... ............................................................ 4 1.3 Scope ........................................................................................ ........................................................... 4 1.4 General Premises ............................................................................. ................................................ 5 1.5 Terms and Definitions ........................................................................ .............................................. 5 2 Design Criteria .............................................................................. ..................................................... 6 2.1 Definition of the Safety Level .............................................................. ........................................ 6 2.2 Minimum Factors of Safety for Slopes in General ............................................................ 6 2.3 Minimum Factors of Safety for Slopes of Small Dams and Dikes .......................... 7 2.4 Acceptable Values of Failure Probability ................................................................................... 8 2.5 Pseudo-static Coefficients to Apply During Slope Analysis .................................. 9 2.6 Definition of Special Analysis Conditions .............................................................................. 10 3 Preliminary Slope Evaluation .................................................................. .......................................... 10 3.1 Study of Available Information .............................................................................................. 10 3.2 Initial Inspection of Slope or Hillside Conditions .............................................................. 10 3.3 Complementary Studies ....................................................................... .......................................... 11 3.3.1 Topographic Survey .................................................................... .......................................... 11 3.3.2 Preliminary Geological Reconnaissance .......................................................................................... 12 4 Geotechnical Investigations ...................................................................... ............................................ 12 4.1 Generalities .................................................................................. .................................................... 12 4.1.1 Investigation Planning ................................................................................................... 12 4.1.2 Investigation Scope .................................................................. ......................................... 13 4.1.3 Definition of the Geotechnical Complexity of the Slope ................................................................... 13 4.2 Geotechnical Investigation According to the Project Stage ............................................................... 14 4.3 Field Investigation ......................................................................... ............................................ 14 4.4 Laboratory Investigation ................................................................... ........................................... 15 5 Analysis of Slopes and Hillsides .................................................................... ......................................... 15 5.1 Identification and Characterization of the Instability Process ................................................... 15 5.1.1 Instability Processes in Soils ........................................................................................... 15 5.1.2 Instability Processes in Rock ............................................................................................... 16 5.2 Definition of the Geotechnical Model ................................................................................................... 16 5.3 Analysis Methods ............................................................................ ................................................ 17 5.3.1 Limit Equilibrium Method in Two Dimensions ....................................................................... 17 5.3.2 Limit Equilibrium Method in Three Dimensions ....................................................................... 18 5.3.3 Numerical Methods ............................................................................ ............................................. 18 5.3.4 Kinematic Analysis Method ................................................................ ..................................... 18 5.3.5 Probabilistic Analysis Methods ............................................................................................. 18 5.3.6 Analysis Methods to Estimate Deformations During Earthquakes ....................................... 19 5.3.7 Analysis Methods to Evaluate the Influence of Liquefaction on the Stability of Slopes and Hillsides... .......................................19 5.3.8 Analysis Methods to Evaluate the Influence of Internal Erosion (Piping) on the Stability of Slopes and Hillsides .............................19 5.4 Other Analysis Procedures ................................................................................................... 19 5.4.1 Back-Analysis Method ...................................................................... ........................................... 19 5.4.2 Precedent Analysis Method ............................................................................................ 19 5.4.3 Observational Method ......................................................................... .......................................... 19 5.4.4 Analysis of Flows and Avalanches ................................................................................................... 19 6 Protection and Stabilization Systems for Slopes and Hillsides ..................................................... 19 6.1 Earthworks ........................................................................... ............................................... 20 6.1.1 Inclusion of Berms .......................................................................... ............................................. 20 6.1.2 Toe Fills and Riprap ................................................................. ......................................... 20 6.1.3 Removal of Material from the Crown ............................................................................................ 20 6.1.4 Removal of Unstable Blocks ................................................................................................ 20 6.2 Drainage ........................................................................................ ......................................................... 21 6.2.1 Surface Drainage .......................................................................... ................................................ 21 6.2.2 Subdrainage ................................................................................... .................................................... 21 6.2.3 Deep Drainage ............................................................................. ............................................... 21 6.3 Walls .......................................................................................... .......................................................... 21 6.3.1 Rigid Walls ................................................................................ .................................................... 22 6.3.2 Flexible Walls .............................................................................. .................................................... 22 6.3.3 Reinforced Soil Walls ..................................................................... .......................................... 22 6.4 Anchored Structures ........................................................................... ............................................... 23 6.5 Embedded Structures ......................................................................... .............................................. 23 6.5.1 Sheet Piles .................................................................................. ...................................................... 23 6.5.2 Piles ...................................................................................... ............................................................ 23 6.5.3 Drilled Shafts ........................................................................................ ............................................................. 23 6.6 Slope Coverings ....................................................................... ............................................ 23 6.7 Barriers and Impact Structures .................................................................................................... 24 7 Instrumentation and Geotechnical Inspection for Slopes and Hillsides ................................................. 24 7.1 Geotechnical Instrumentation ..................................................................... ........................................... 24 7.2 Type of Instrumentation ........................................................................ ................................................ 26 8 References ...................................................................................... ........................................................... 27 8.1 National Regulations .......................................................................... ................................................ 27 8.2 International Regulations ..................................................................... ............................................. 27 8.3 Design Manuals and Suggested Methods ....................................................................................... 28 8.4 Other References .............................................................................. ...................................................... 29 Appendix 1.......................................................................................... .............................................................. 30 Appendix 2 ......................................................................................... ............................................................... 33 Appendix 3 ......................................................................................... .............................................................. 35 INDEX OF TABLES Table 1. Risk Level Against Loss of Human Life (adapted from GEO, 2011) ..................... 6 Table 2. Risk Level Against Economic and Environmental Damages (adapted from GEO, 201........... 6 Table 3. Factors of Safety for the Design of Permanent Slopes and Analysis of Hillside............. 7 Table 4. Factors of Safety for the Design of Temporary Slopes.................................................... 7 Table 5. Minimum Factors of Safety for Class III Dam Slopes Under Static Conditions .. 8 Table 6. Minimum Factors of Safety for Class III Dam Slopes Under Pseudo-static Conditions . .................................................................................................... .............................................. 8 Table 7. Acceptable Probability of Failure in Slopes (adapted from Santamarina, et al., 1992 in Look, 2007) ....................................... 8 Table 8. Types of Sites and Their Geotechnical Parameters (average properties of the upper 30 m) (CSCR, 2010) ................................. 9 Table 9. Horizontal Pseudo-static Coefficients with a Return Period of 150 Years ............ .................................................................................................... ............................................................ 9 Table 10. Horizontal Pseudo-static Coefficients with a Return Period of 475 Years (Laporte, 2005) .............................................................................................. ............................................... 10 Table 11. Classification of the Minimum Investigation Level for Slopes ............................... .................................................................................................... ....................................... 13 Table 12. Failure Criteria in Rock Masses and Data Required for Their Application (adapted from González et. al., 2002) .................................................................................................... ..................................................................... 17 Table 13. Instrumentation Classes for Slopes and Hillsides ................................................................ 25 Table 14. Types of Field Tests in Soils and Their Main Objectives ................................ 34 Table 15. Types of Field Tests in Rocks and Their Main Objectives .................................. 34 Table 16. Geophysical Investigation Methods .................................................................................... 34 Table 17. Types of Laboratory Tests in Soils and Main Objectives ................................. 35 Table 18. Types of Laboratory Tests in Rocks and Main Objectives ................................... 35 INDEX OF FIGURES Figure 1. Dam Classes (adapted from Amberg et al., 2002) .......................................................... 8 PREFACE The constant economic losses and, above all, the loss of human life, caused by landslides triggered either by hazards (e.g. intense rains and/or earthquakes) or by anthropic factors (vibrations, explosions, scour, alteration of the geometry of the natural topography, surcharges, inadequate construction of fills and embankments, among others), are a concern for many groups and institutions in the country.

For example, the authorities in charge of road development and maintenance have been very concerned about the constant traffic interruptions on the country's main highways and the high costs involved in putting a road back into service. This has led to the topic of slope and hillside stability being a primary issue that requires specific regulations for its analysis and consideration.

The Costa Rican Geotechnical Association (ACG) has decided to address this priority, both due to the importance of the topic and because it falls within its mandates according to its articles of incorporation. Therefore, it decided to entrust the Technical Committee of the Costa Rica Foundations Code with the drafting of a Code that regulates the topics associated with slope (talud) design and hillside (ladera) analysis.

This Committee, made up of professionals linked to academia and professional practice in the field of geotechnics, dedicated itself, with enthusiasm, dedication, and integrity, to preparing a document so that the designs of slopes (taludes) and hillsides (laderas) are carried out in the best possible way and applying the most advanced knowledge in this field. All these aspects necessary to have such an important tool are presented today as the Geotechnical Code for Slopes and Hillsides of Costa Rica (Código Geotécnico de Taludes y Laderas de Costa Rica).

This Code establishes the safety aspects and design actions, the scope of the investigation, the analysis or design methods for slopes (taludes) and hillsides (laderas), and the systems for stabilization, protection, and monitoring. All these factors are presented with the aim of achieving an adequate and reasonable safety level for the different social, economic, and environmental aspects that interact with slopes and hillsides.

This achievement was reached thanks to the participation of the specialists in charge of the drafting, and the contributions of other professionals, among them engineer Alvaro Climent, as well as other groups that collaborated, convinced of the importance of the topic, and who are mentioned below with the desire to thank them for their contributions. They are the College of Civil Engineers of Costa Rica (Colegio de Ingenieros Civiles de Costa Rica) and the Federated College of Engineers and Architects, which provided the economic and logistical support necessary to conclude the document. We also thank the intellectual contribution of the National Commission for Risk Prevention and Emergency Response (Comisión Nacional de Prevención de Riesgos y Atención de Emergencias) and the Laboratory of Materials and Structural Models of the University of Costa Rica.

To have technical and scientific rigor when proposing a code like the one presented here, it is the custom of the ACG to request a review by a world-renowned consultant. In this case, the task was entrusted to engineer Manuel García López, a Colombian professional of great experience in this field of geotechnics, who has played a preponderant role in the study and solution of many slope (talud) and hillside (ladera) instability problems in his country and abroad. We also had the valuable contributions of engineer Juan Diego Bauzá Castelló, a Spanish professor and consultant, and the Costa Rican consultant, geological engineer Sergio Mora Castro. The Committee and the ACG thank these experts for their advice and suggestions, which allowed the preparation of a more robust document from a scientific, technical, and practical point of view.

The ACG considers it important to achieve continuity in this type of technical regulation, including other topics of interest to Costa Rican society. That is why it has committed to forming in the future a "Geotechnical Code of Costa Rica" (Código Geotécnico de Costa Rica), and that both the Foundations Code (Código de Cimentaciones) and the Geotechnical Code for Slopes and Hillsides of Costa Rica will become chapters thereof. For example, topics of interest such as retention works, underground works, and the foundation of special structures will expand the regulations, to achieve increasingly safer works for the well-being of Costa Rican society.

1 Introduction 1.1 Philosophy a. This document establishes the minimum requirements for the evaluation, investigation, analysis, or design of slopes (taludes) and hillsides (laderas) in Costa Rica, necessary to guarantee an adequate level of safety, according to the objective and scope defined in Articles 1.2 and 1.3 respectively.

b. The guidelines set forth in this regulation represent minimum requirements for achieving the adequate performance of slopes (taludes) and hillsides (laderas) in Costa Rica. This should not limit the responsible professional to complying only with the minimums established herein; if required, they may use more rigorous and complementary analysis and design methodologies than those stipulated in this document.

c. The requirements for analyzing the performance of slopes (taludes) and hillsides (laderas) included in this document include the use of the "allowable stress design" (ASD) methodology.

1.2 Objective The objective of this Code is to contribute to the protection of human life, and the reduction of economic losses and environmental impact, caused by the failure of slopes (taludes) and hillsides (laderas) in Costa Rica.

1.3 Scope The guidelines set forth in this regulation are applicable to the analysis and design of slopes (taludes) in cut or fill or to the analysis of hillsides (laderas) in their natural state. Excluded from the scope are cases where active large-scale mass movements, avalanches, debris flows, materials with liquefaction potential, among others, are present; these must be analyzed as special cases and using other types of methodologies.

1.4 General Premises a. The general concept of this document has been drafted and reviewed by professional geotechnical experts, knowledgeable and practitioners of the criteria and concepts of slope (talud) analysis and design in accordance with international standards and the latest advances in this field.

b. During the process of study, analysis, design, and construction of slopes (taludes), follow-up and detailed inspection must be carried out by a responsible professional. This person must guarantee that the modifications required during construction are executed in a timely manner and verify that adequate quality control is performed for all processes.

c. The ground must be adequately studied, following the guidelines set forth in Chapter 4 of this document.

d. The slope (talud) or hillside (ladera) must be subjected to monitoring, surveillance, and maintenance according to the guidelines set forth in Chapter 7 of this document.

e. In the event of a landslide of a slope (talud) or hillside (ladera), these must be intervened with the necessary emergency measures (included in Articles 3.2 and 3.3) and the pertinent repairs carried out in accordance with the results of the inspection, the diagnosis, the investigation, the analysis, and the corresponding geotechnical design, according to what is set forth in Chapter 3 of this document.

1.5 Terms and Definitions CCCR: Costa Rica Foundations Code (Código de cimentaciones de Costa Rica) in its most recent version.

CNE: Comisión Nacional de Prevención de Riesgos y Atención de Emergencias CSCR: Costa Rica Seismic Code (Código sísmico de Costa Rica) in its most recent version.

Spoil heaps (Escombreras): Fills (Rellenos) consisting of waste materials from the mining, manufacturing, construction industries or other activities, deposited following a construction process designed by the responsible professional, in such a way as to ensure the stability of the materials thus deposited on the site.

Seismic hazard study (Estudio de amenaza sísmica): A numerical form that characterizes the probability of exceedance of an earthquake of a certain intensity (or ground acceleration) at a specific site, over a period (where the importance of the work is considered). This type of study can be carried out on a regional or local scale, and must consider the parameters of the seismogenic sources and the records of those seismic events that have occurred in each source zone and the attenuation of the ground movement.

Factor of safety (Factor de seguridad): Ratio of the available shear strength (the capacity) to the shear strength required for equilibrium (the demand).

IGN: Instituto Geográfico Nacional.

IMN: Instituto Meteorológico Nacional.

Hillside (Ladera): Any natural surface inclined with respect to the horizontal plane, formed through geological history by erosion or deposition processes.

SBO: Operating Basis Earthquake (Sismo básico de operación). It is the earthquake that a dam must be capable of resisting with minor damages that do not compromise the functionality of the work. It is generally selected for a return period of 150 years (50% probability of exceedance in 50 years), using the result of probabilistic analyses of the seismic hazard.

SES: Safety Evaluation Earthquake (Sismo de evaluación de seguridad). It is the earthquake that a dam must be capable of resisting without the uncontrolled release of reservoir water. The SES governs the safety evaluation and seismic design of the safety-relevant components of a dam, which must continue to function after the earthquake. Its return period must be selected by a multidisciplinary group of professionals in the areas of seismology and geotechnical design, taking into account the importance of the dam, but it must never be less than the earthquake with a probability of exceedance of 10% in 50 years (475 years return period).

Slope (Talud): Any surface inclined with respect to the horizontal plane, constructed by humans (cut or fill).

Temporary slope (Talud temporal): Slope (Talud) that must operate safely during a short period, generally the construction period of a permanent work.

Low traffic (Tránsito bajo): Average annual daily traffic less than 5000 High traffic (Tránsito alto): Average annual daily traffic greater than 15000 2 Design Criteria In the development of this chapter, the minimum factors of safety (factores de seguridad) are presented, both for resisting static and seismic demands. In the event that said requirements are not met, the responsible professional must select a method or a combination of several stabilization methods in order to test them until the required factors of safety (factores de seguridad) are satisfied.

2.1 Definition of the Safety Level a. The safety level required by a slope (talud) or hillside (ladera) must be defined taking into account the hazard and impact on human lives and the foreseeable economic or environmental losses.

b. The risk level against the loss of human life must be selected using Table 1 as a guide.

c. The risk level against economic or environmental damages must be selected using Table 2 as a guide.

Table 1. Risk Level Against Loss of Human Life (adapted from GEO, 2011) | Risk | Examples | | --- | --- | | Low | Area and buildings with eventual human presence: pastures, national parks, recreational areas and low-occupancy urban parks, car parking zones, material warehouses. This category does not include warehouses where toxic or explosive materials are stored. Railways or low-traffic roads. | | Medium | Area and buildings with limited human presence: public occupancy waiting areas, such as bus or train terminals. Railways or medium-traffic roads. | | High | Area and buildings with intense mobilization and human presence: residential buildings, housing developments, commercial buildings, industrial buildings, buildings intended for education, hospitals, fuel distribution systems, warehouses where toxic or explosive materials are stored. Railways and high-traffic roads. | Table 2. Risk Level Against Economic and Environmental Damages (adapted from GEO, 2011) | Risk | Examples | | --- | --- | | Low | Parks in urban areas, open-air parking lots, pastures, low-traffic roads. | | Medium | Moderate-traffic roads, essential services that are interrupted for short periods (e.g.: water, electricity, etc.), facilities whose failure could cause contamination; homes and housing developments. | | High | Heavy-traffic roads, railways, essential services that are interrupted for long periods (e.g.: water, electricity, etc.), facilities whose failure could cause significant contamination (e.g.: fuel service stations, warehouses where toxic materials are stored, etc.), residential and commercial buildings. | 2.2 Minimum Factors of Safety for Slopes in General a. For the analysis and design of permanent (i.e., final) slopes (taludes) using deterministic methods, it is recommended to use the minimum factors of safety (factores de seguridad) shown in Table 3.

b. For the analysis of hillsides (laderas) that will be modified during the execution of a project or that represent a hazard for infrastructure works, it is recommended to use factors of safety (factores de seguridad) equal to or greater than the minimums shown in Table 3.

c. For the analysis and design of temporary slopes (taludes), it is recommended to use the minimum factors of safety (factores de seguridad) shown in Table 4.

d. The analysis of permanent slopes (taludes) and hillsides (laderas) must comply with the minimum factors of safety (factores de seguridad) under both static and pseudo-static conditions.

e. When a structure is placed on a slope (talud) or hillside (ladera), the factors of safety (factores de seguridad) for the foundation, as indicated in Article 4.2.6.2 of the CCCR, must also be guaranteed.

f. In the case of retaining walls, the guidelines and factors of safety (factores de seguridad) for bearing capacity, overturning, sliding, global stability, internal stability, and deformations must be respected, as suggested in Article 6.3 of the CCCR.

g. When the stability and importance of the slope (talud) warrant it, an estimation of displacements must be made using the methods proposed in Articles 5.3.6 (analysis of deformations using analytical methods) or 5.3.3 (dynamic analysis of deformations using numerical methods).

Table 3. Safety factors for the design of permanent slopes and slope analysis | Analysis Condition | Risk of Economic and Environmental Damage | Risk of Loss of Life | Low | Medium | High | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | Static | Low | 1.20 | 1.30 | 1.40 | | | Medium | 1.30 | 1.40 | 1.50 | | | | High | 1.40 | 1.50 | 1.50 | | | | Pseudostatic: Pseudostatic coefficient according to Article 2.5, Table 10 | Low | >1.00 | >1.00 | 1.05 | | | Medium | >1.00 | 1.05 | 1.10 | | | | High | 1.05 | 1.10 | 1.10 | | | | Rapid Drawdown: Slopes in reservoirs with the possibility of rapid drawdown | Low | 1.10 | 1.15 | 1.20 | | | Medium | 1.15 | 1.20 | 1.30 | | | | High | 1.20 | 1.30 | 1.40 | | | Table 4. Safety factors for the design of temporary slopes

2.3 Minimum safety factors for slopes of small dams and dikes a. Three different dam classes are defined, taking into account the dam height and the reservoir storage volume. In Figure 1, it must be verified that the dam to be designed is class III; if not, the provisions of subsection h apply.

b. The guidelines set forth in this standard are valid only for small dams and dikes built with compacted materials (earth fills or rockfills).

c. Due to the operational characteristics of dams made of compacted materials, a sudden failure in one of their slopes is considered unacceptable.

d. Flood protection dikes must be classified as class III for their design, regardless of their height and storage volume.

e. Table 5 details the safety factors under static conditions that class III dams must meet.

f. Table 6 details the safety factors under pseudostatic conditions that class III dams must meet.

g. For the design of class III dams, it is sufficient to perform the pseudostatic analysis and, when the professional responsible for the design considers it necessary, to verify deformations by means of analytical methods or numerical methods.

h. When a specific seismic hazard study is not carried out for the design of a class III dam, the pseudostatic coefficients from Table 10 must be used as the SES, and the pseudostatic coefficients from Table 9 must be used as the SBO.

i. For the design of class I and class II dams, it is mandatory to carry out: a) a specific seismic hazard study for the project and b) a study of the deformations of the dam body by means of analytical methods or numerical methods. Likewise, the guidelines set forth by ICOLD (2010), which recommends using the SES and the SBO for the design of dam fills, must be used.

Table 5. Minimum safety factors for the slopes of class III dams under static conditions

Table 6. Minimum safety factors for the slopes of class III dams under pseudostatic conditions | Condition | Reservoir | Safety Factor | Design Considerations | | --- | --- | --- | --- | | During Construction Use the SBO | No reservoir | 1.00 | Short-term conditions | | Basic Operating Condition Use the SBO | Maximum Operating Level | 1.15 | Long-term conditions | | Safety Evaluation Use the SES | Maximum Operating Level | 1.05 | Long-term conditions | 2.4 Acceptable failure probability values a. As an alternative or complement to deterministic analyses using the limit equilibrium concept, probabilistic analyses can be performed for slopes (see Article 5.3.5).

b. The acceptable failure probabilities that must be met in slopes are shown in Table 7.

Table 7. Acceptable failure probability in slopes (adapted from Santamarina, et al., 1992 in Look, 2007) | Condition | Failure Probability, Pf | | --- | --- | | Unacceptable | > 0.1 (10%) | | Design of temporary slopes. Slope failure has no potential to cause loss of human life. The cost of slope repair is low (i.e., with respect to the total cost of the work or the value of the loss) | 0.1 (10%) | | Review of existing road slopes. Review of slope stability. | 0.01 to 0.02 (1% to 2%) | | Design of new slopes for roads. | 0.01 | | Slope failure has little or no potential to cause loss of human life. The slope may fail and cause minor economic or environmental losses. The cost of slope repair is less than the cost of reducing the failure probability. The use and location allow the slope to be out of operation for the time necessary to carry out a repair. | (1%) | | Acceptable for almost any slope. Slope failure has the potential to cause loss of human life. | 0.001 (0.1%) | | Dam slopes. Acceptable for any type of slope. | 0.0001 (0.01%) | 2.5 Pseudostatic coefficients to be applied during slope analysis a. For the selection of the pseudostatic coefficient, the same seismic zoning described in the CSCR is used, which divides the country into three seismic zones, with increasing seismic intensity, called zones II, III, and IV. The seismic zones are presented by political and administrative division, as detailed in the CSCR.

b. For the selection of the pseudostatic coefficient, the foundation site classification detailed in the CSCR is used. This classification uses the geotechnical properties indicated in Table 8, calculated as an average over the upper 30 m, to specify the site types defined below:

· Site type S1: Rock profile or stiff or dense soil with properties similar to rock.

· Site type S2: A soil profile with predominant conditions of medium-dense to dense or medium-stiff to stiff.

· Site type S3: A soil profile with 6 to 12 m of clay of soft to medium-stiff consistency or with more than 6 m of non-cohesive soils of low to medium density.

· Site type S4: A soil profile containing a stratum of more than 12 m of soft clay.

c. In the absence of dynamic amplification studies, the horizontal pseudostatic coefficients presented in Table 9 must be used for the seismic analysis of temporary slopes using the limit equilibrium method. These coefficients are representative of an earthquake with an annual exceedance probability of 50% in 50 years (return period of 150 years).

d. In the absence of dynamic amplification studies, the horizontal pseudostatic coefficients presented in Table 10 must be used for the seismic analysis of permanent slopes using the limit equilibrium method. These coefficients are representative of an earthquake with an annual exceedance probability of 10% in 50 years (return period of 475 years).

e. For the seismic analysis of class III dams and dikes, when using the limit equilibrium method, and where a specific seismic hazard study for the project is not available, the horizontal pseudostatic coefficients from Table 9 must be used as the SBO earthquake and the horizontal pseudostatic coefficients from Table 10 as the SES earthquake.

f. When using the limit equilibrium method to perform the seismic analysis of a slope, a vertical pseudostatic coefficient may be used. The selection of the coefficient value will be at the discretion of the professional responsible for the analysis.

Table 8. Site types and their geotechnical parameters (average properties of the upper 30 m) (CSCR, 2010)

Table 9. Horizontal pseudostatic coefficients with a return period of 150 years

Table 10. Horizontal pseudostatic coefficients with a return period of 475 years (Laporte, 2005)

2.6 Definition of special analysis conditions The considerations on safety level, safety factors, failure probabilities, and pseudostatic coefficients set forth in Articles 2.1 to 2.5 do not apply to slopes and hillsides where instabilities have already been identified, such as active mass movements (movimientos de masa), debris flows (flujos de detritos), among others. It is at the discretion of the responsible professional to carry out what is necessary at the analysis and design level to mitigate the effects of the mass movement that has occurred or is prone to occurring, to prevent the loss of human life or material damage.

3 Preliminary slope evaluation This chapter presents the minimum requirements for performing the preliminary evaluation of a slope. This evaluation must be carried out before starting the execution of geotechnical investigations and is essential because knowledge of the general conditions is required. Appendix 1 presents the form that must be used when performing the evaluation.

3.1 Study of available information a. An exhaustive investigation must be carried out of the available historical data related to the topography, geomorphology, geology, geotechnical data, meteorological information, seismicity, and infrastructure of the site under study. This investigation must include regional and local maps of natural hazards and risk, landslide susceptibility, geological and geotechnical maps, aerial photographs, and satellite images when available.

b. It is recommended to consult at least the following information sources:

i. Cartographic sheets at a scale of 1:50,000 published by the IGN.

ii. Cartographic sheets of the Gran Área Metropolitana (GAM), scale 1:10,000 from the IGN. Available on the website: http://201.194.102.38/cartografia/PRUGAM_Cartografia_Cantones.htm iii. Natural hazard maps from the CNE. Available on the website: http://www.cne.go.cr/.

iv. Natural hazard maps prepared by municipalities as part of their regulatory plans, where they exist.

v. Geological map of Costa Rica scale 1:400,000 (Denyer and Alvarado, 2007).

vi. Geological maps at a scale of 1:50,000 or other scales, published by the Revista Geológica de América Central. Available on the website: http://www.geologia.ucr.ac.cr/.

vii. Soil type maps and geotechnical zoning of the Gran Área Metropolitana included in the CCCR.

viii. Map of effective peak accelerations (Tr = 500 years) included in the CSCR.

ix. Map of maximum intensity on the Modified Mercalli scale of Costa Rica, included in the Atlas Tectónico de Costa Rica (Denyer et al., 2003).

x. Resis II Project: Evaluation of the seismic hazard in Costa Rica (Climent et. al, 2008). Available on the website: ftp://ns.lanamme.ucr.ac.cr/estructural/RESIS-II_Project/Evaluación de la amenaza sísmica en CR - 2008.PDF xi. Interactive climatological atlas from the IMN. Available on the website: http://www.imn.ac.cr/.

xii. Apply methodologies and utilize information resulting from the interpretation of remote sensors (satellite, radar, aerial photographs, LiDAR, among others).

xiii. Consult the information available in undergraduate theses, graduate theses, and final graduation projects, carried out at the country's universities.

xiv. Any other related information.

3.2 Initial inspection of the slope or hillside conditions a. The responsible professional in charge of the investigation must conduct a site visit to inspect the location where the slope or hillside subject to the stability evaluation is located. It is desirable to access the crest and the toe of the slope or hillside.

b. Based on the inspection visit, the need to apply emergency measures to protect life and property that are in a situation of imminent risk must be evaluated.

c. Emergency measures may include:

i. Notifying the competent authorities about the problem.

ii. The evacuation and prohibition of entry to buildings or land where the unstable area is located while the process is active.

iii. The interruption of vehicular and pedestrian flow on paths and roads.

iv. The construction of surface or deep drainage systems and general water management.

v. The reduction or elimination of surcharges.

vi. The re-profiling (reconformación) of the slope.

vii. The placement of material at the toe of the slope (reducing its height or increasing passive resistance).

viii. The surface protection of the slope (through the use of plastic, geomatresses, etc.).

ix. The sealing of surface cracks.

x. Any other measure that the professional responsible considers appropriate.

d. At this stage, a preliminary-type investigation may also be requested if the professional responsible considers it necessary and with the objective of performing a rapid analysis of the stability problem (see Article 4.2). The placement of instrumentation (at minimum topographic control points) can also be considered to serve as input for verifying the effectiveness of the emergency measures specified above (see Chapter 7).

e. As a product of the visit, a preliminary inspection report must be issued, for which the template in Appendix 1 must be used, containing at least the following information:

i. Identification of the professional responsible for the inspection.

ii. Date of the visit.

iii. Location of the study site.

iv. Land use (Uso del suelo).

v. Type of vegetation.

vi. Drainage condition.

vii. Type of natural hillside, cut slope, fill slope, dike, dam.

viii. Geometry of the slope or hillside.

ix. Existence of retaining structures (with an indication of their current state).

x. Saturation condition of the ground.

xi. Type of soil or rock found at the site (it must be indicated if fill materials were found).

xii. Indications of displacements or deformations in the ground (faults, landslide scars, loss of linearity, among others).

xiii. Degree of danger of a movement.

xiv. Typology of possible movements.

xv. Indication of the exposed elements (lives or properties).

xvi. Probable type of sliding surface or other instability mechanism and its possible consequences.

xvii. Any other information obtained from the residents of the area (such as damming in river channels, creep (reptación), among others).

f. The inspection report must be supplemented mandatorily with a photographic record and a sketch indicating the most relevant aspects and points observed. If possible, the preliminary diagnosis of the causes of the instability should also be indicated, whether previous episodes have occurred, or if they are possible and imminent.

g. At this stage, it is convenient to position oneself at a distant and elevated site when the sunlight is most convenient (dawn or dusk) to take advantage of the projection of shadows on the relief and increase the contrast of available sunlight. If possible, perform a flyover or use remote images to observe the unstable area from a higher position, in order to have a general view of the slope or hillside under analysis and also to establish the position of accesses, the magnitude and extent of the problem, movement trends, water currents, among others.

h. It must be verified that the studied area is not located within a larger landslide zone.

3.3 Complementary studies 3.3.1 Topographic survey a. When the magnitude or importance of the slope warrants it, and especially if there is already evidence of active movement, a topographic survey must be carried out following the guidelines given by the responsible professional, who must indicate the polygonal perimeter, sectors, and specific points of interest for the survey.

b. The survey must be carried out at a scale compatible with the dimensions of the slope and the stability problem analyzed in the study. The surface to be surveyed must exceed the unstable area by a margin to be decided by the professional, at the toe, at the crest, and at the lateral limits. If possible, a distance equivalent to one and a half times the height and width of the unstable slope or hillside.

c. It must clearly include at least the following:

i. The area of the slope to be evaluated or the area and contour of the slipped material (in the case of analyzing an already failed slope).

ii. If existing, the location of the geological-geotechnical investigations carried out must be detailed.

iii. Relevant profiles for analysis that cover a sufficient length, even outside the unstable or potentially unstable area.

iv. The location of existing buildings, public roads, potable water pipes, sewers, water management works such as ditches (cunetas), cross-drains (contracunetas), waterfall flows (bajadas de agua), water courses, points of groundwater outcrop (i.e., springs (manantiales), springs (nacientes), recharge areas), rock outcrops, cracks, fissures in the ground, subsidences, populated areas, productive activities, etc.

v. Any other information of interest that the responsible professional considers relevant.

3.3.2 Preliminary geological reconnaissance a. When the magnitude or importance of the slope warrants it, a preliminary geological reconnaissance must be carried out, performed by a qualified professional for this purpose.

b. Said reconnaissance must contemplate the basic geological aspects (i.e., lithologies and their condition), geostructural details (i.e., folds, discontinuities -bedding, joints (diaclasas), fractures, faults-), geomorphological and hydrogeological aspects of a regional and local nature, obtained from the review of available information (see Article 3.1).

c. The information obtained through this reconnaissance must be used as an additional input to plan the field and laboratory geotechnical investigations detailed in Chapter 4. It must also serve as a guide to model the behavior of the slope or hillside when subjected to factors that induce failure such as earthquakes; or in the presence of soft rocks or weak formations, perched aquifers, among others.

4 Geotechnical investigations The minimum requirements that must be met by the geotechnical investigations carried out to build the geotechnical model of a slope or hillside are defined below. The preliminary geological reconnaissance defined in Article 3.3.2 must be used as input, in order to optimize the field and laboratory investigation, to assign the physical and mechanical properties of the materials. The geological studies may be expanded during this stage if the responsible professional in charge of the investigation considers it necessary.

4.1 Generalities a. The main objective of the geotechnical investigations must be to obtain the necessary information to execute a geotechnical model in accordance with the stage in which the analyzed case is found (e.g., emergency situation, project, or maintenance of a work, etc.).

b. Geotechnical studies are subdivided according to their execution stage into preliminary and detailed.

c. The planning of the investigation must be done following the guidelines set forth in Articles 4.1.1, 4.1.2, and 4.1.3.

4.1.1 Planning of the investigation a. The planning of the field and laboratory investigations carried out as part of the stability (or instability) study of a slope or hillside must be done by the responsible professional.

b. The planning must include the definition of the type, quantity, location, and depth of the field investigations carried out during the investigation campaign. Additionally, it must include the definition of the type, quantity, location, and depth of the samples to be used subsequently in the laboratory study campaign. It will also define the instrumentation that, where appropriate, is arranged for monitoring and surveillance.

c. The type of investigation carried out must consider whether the material of the analyzed slope is to be modeled as a continuous medium (soil slope, massive rock, or intensely fractured rock) or as a discontinuous medium (rock slope presenting one, two, or up to three families of discontinuities). Said model or premise may be modified or rectified based on the results obtained in the investigation.

d. The type of prospecting or test that provides reliable information for the elaboration of the geotechnical model with which the analyses will be performed must be applied.

e. The field investigation must be carried out according to the provisions of Article 4.3, while the laboratory investigations must be executed taking into account Article 4.4.

4.1.2 Scope of the investigation a. The scope of the investigation must be determined by the responsible professional based on the level of risk, that is, the probability of loss of human life, economic losses, or environmental losses, as defined in Article 2.1, and the geotechnical complexity of the studied site in accordance with the provisions of Article 4.1.3. Table 11 shows the classification of the level of investigation in slopes and hillsides based on the risk level and geotechnical complexity.

Table 11. Classification of the minimum investigation level in slopes and hillsides

b. The requirements that the investigation on the slope or hillside must meet, as defined in Table 11, are as follows:

i. Class A: Visual reconnaissance of the site based on the template proposed in Appendix 1, which must be carried out by specialist and sufficiently trained professionals, who traverse the area beyond the limits of the visibly problematic zone. Evaluation of the surrounding geology and topography, as a complement to the prior reconnaissance established in Chapter 3. Observation of the soil and rock that make up the site, from outcrops or trenches, in order to describe their condition. Determination of the influence of water (surface and groundwater) on the slope's behavior.

ii. Class B: In addition to the scope established in Class A, the characterization of the materials present in the study area must be complemented. A plan and a topographic profile must be included, indicating all points and profiles of the geotechnical prospecting. The plan distribution of the required prospecting (type, quantity, and location) must be adapted to the surface and extent of the works, the complexity of the terrain (detected or verified during the preliminary investigations), and the particularities of the project or situation.

It is recommended that at least half of the boreholes or any of the prospecting carried out reach a depth of one and a half times the height of the slope or hillside analyzed, or until, at the discretion of the professional, materials with acceptable geological-geotechnical conditions are reached that guarantee the definition of a reliable geotechnical model for the stability analysis.

The geotechnical investigation will be carried out using one or several of the methods for prospecting soils, rocks, and groundwater indicated in tables 14, 15, and 16 of Appendix 2. These must include a minimum number of boreholes or trenches, with in-situ tests, and with the extraction of samples for index laboratory tests that allow defining the stratigraphy of the subsoil and estimating its geotechnical properties. A minimum of three boreholes is considered advisable.

iii. Class C: In addition to the scopes established in classes A and B, it is a requirement to determine the mechanical properties of the soils and rocks through field and laboratory tests that allow their geomechanical characterization (e.g., strength, deformability, permeability), according to the test procedures established in Appendices 2 and 3.

4.1.3 Definition of the geotechnical complexity of the slope Geotechnical complexity describes the degree of difficulty with which an appropriate geotechnical model can be obtained to perform the analysis of a slope. The geotechnical complexity of the slope must be defined by the responsible professional designated to carry out the study based on the following definitions:

a. Low geotechnical complexity: Corresponds to a site where a homogeneous geotechnical model can be defined, with no presence of water outcropping on the ground, without the presence of important geological structures, where rock outcrops appear sound, massive, or very slightly fractured and weathered.

b. Medium geotechnical complexity: Corresponds to a site where the geotechnical model is variable depending on the orientation of the analyzed profile. It is composed of heterogeneous materials, with the presence of water outcropping on the ground, with the presence of geological structures that induce weakness in the lithology (e.g., fractures, folds, joints (diaclasas), hydrothermal alteration, etc.).

c. High geotechnical complexity: Corresponds to a site where the geotechnical model is highly variable depending on the orientation of the analyzed profile, with heterogeneous materials, with water outcropping on the ground, and with geological structures (fractures, joints (diaclasas), folds) and hydrothermal alteration. The rocks, in their outcrops, appear highly fractured, altered, and weathered.

d. Special geotechnical complexity: When a geotechnical complexity corresponds to that set forth in Article 1.3 exists, that is, with sites where large-scale active mass movements, avalanches, or debris flows, or materials with liquefaction potential, among others, are present, the responsible professional must define the scope of the investigation.

4.2 Geotechnical investigation according to the project stage A project, depending on its scale, has several execution stages. Each incorporates a minimum geotechnical investigation that must be completed. Three categories of geotechnical investigation associated with the different stages of a project are recognized:

Preliminary geotechnical studies Detailed geotechnical studies Verification geotechnical studies during the execution of the work.

The geotechnical studies at all stages of a project must be oriented to meet the basic criteria specified in Articles 4.1.1, 4.1.2, and 4.1.3. The description of each of the types of geotechnical investigation, according to the project stage, is detailed below:

a. Preliminary geotechnical studies: Reconnaissance or technical feasibility investigations, whose main intention is to provide prior knowledge of the site before carrying out the detailed studies for the final design of the slopes or stabilization works. They must be oriented to verify that there are no major geotechnical problems, easily detectable, that compromise the safety of the project. This category includes the geotechnical studies requested as part of the implementation of emergency measures, and which are for the purpose of executing a basic geotechnical design of works aimed at reducing the level of risk on a slope.

b. Detailed geotechnical studies: Studies that must generate and provide sufficient information to conceive a geotechnical model that allows for the final design of the slopes or stabilization works. Their purpose is to minimize the uncertainties of the geotechnical model established during the initial stages of the project. The information generated during the preliminary studies stage (results of the investigations and instrumentation placed during said stage) must be used as the basis for the detailed geological/geotechnical studies.

c. Verification geotechnical studies during the execution of the work: If the responsible professional considers it necessary, verification geotechnical studies may be carried out during the stage of executing the stabilization works or slope construction. The main purpose of these studies is to validate the premises and design recommendations, or failing that, to make changes to the design in a timely manner during construction in accordance with the evidence observed during the process.

4.3 Field investigation a. The field investigation must meet the objective of minimizing the uncertainty of the geotechnical model used to perform the slope or hillside stability analyses.

b. Field investigations can be divided into the following categories:

Direct investigation methods: these include investigation boreholes as well as field and laboratory tests.

Indirect investigation methods: geophysical prospecting.

c. Investigation boreholes or soundings must be carried out on a mandatory basis and their objective is to define, among other things, the stratigraphic profile, the position of the water table (if present), and to recover representative samples of the different strata. The drilling method, the quantity, and the depth of the prospecting depend on the type of material and the dimensions of the slope under study. It is advisable that the soundings be carried out with sample recovery, preferably undisturbed and, if possible, with dry drilling, at least in the vicinity of potential slip surfaces. The definition of the drilling diameter could also take into account the possibility of subsequently installing monitoring and auscultation instrumentation (e.g., piezometers, inclinometers, etc.).

d. Field tests aim to determine the strength and deformability parameters of the ground. The most commonly used standards for carrying out field tests in soils are those defined in ASTM standards, while in rocks, both these standards and the methods suggested by the International Society for Rock Mechanics are applied. In e. Appendix 2 (Apéndice 2), the detail of the suggested standards and methods for the field tests usually used during the geotechnical investigation of slopes can be found.

f. Geophysical investigation methods constitute support for the direct methods for defining the geotechnical model, but under no circumstances do they replace them. The standards for carrying out geophysical investigation methods are also defined in ASTM standards. In g. Appendix 2 (Apéndice 2), the suggested standards for geophysical investigation in slopes are detailed.

4.4 Laboratory Investigation a. The objective of laboratory tests is to characterize, from a physical and mechanical point of view, the materials that make up the ground of a slope or hillside.

b. The samples selected for performing laboratory tests must be representative of the geological units defined in the geological-geotechnical model. Special attention must be paid to the failure surface or to the unit that has the greatest probability of generating a rupture surface, or that possesses a preferential surface or trend favorable to a potential rupture.

c. In order to perform sampling in a representative manner, it must be identified whether the materials present in the study area possess any type of anisotropy in their strength and deformability properties or in their particular geological conditions, such as faults, joints, hydrothermal alteration zones, hydrodynamic flow, among others.

d. The collected samples must be properly packaged and handled in order to preserve the conditions of the natural ground being studied (ASTM D4220). Contamination of the samples with materials different from the one to be tested, or changes to their natural moisture condition, must be avoided.

e. Tests can be performed on disturbed samples or on undisturbed samples, but through an appropriate procedure that reflects the ground conditions and the type of possible failure for the slope in question.

f. Disturbed samples are those that have been subjected to the partial or total destruction of the original structure and moisture with which they were found in the ground. For their collection, the use of picks, shovels, mechanical samplers, auger drilling, or percussion drilling is sufficient. They should only be used in performing ground characterization tests.

g. Undisturbed samples are those that seek to preserve the original structure and moisture of the ground. In soils, they are ideally collected via blocks, or failing that, by means of special thin-walled tube samplers (ASTM D1587) or similar. In Appendix 3 (Apéndice 3), the laboratory tests usually used during the geotechnical investigation of slopes can be found. These samples must be preserved in a suitable storage facility for a sufficient period to allow for new tests or verifications to be carried out until the completion of the project, work, or the term that the proceeding requires.

5 Analysis of Slopes and Hillsides Once the slope geometry and the geotechnical model have been defined, the responsible professional must select the analysis methodology that best adapts to the expected failure conditions of the slope. This chapter presents a list of the characteristic failure processes that can occur in slopes or hillsides formed in both soils and rocks.

5.1 Identification and Characterization of the Instability Process a. Based on the investigation, the responsible professional must determine if there is a rupture surface that could affect the slope, which must be included within the geotechnical model for the stability analysis.

b. If there is no prior or potential rupture surface, the responsible professional must define what the possible failure mechanisms are for the slope. A guide is presented below illustrating the different instability processes that can affect slopes and hillsides.

5.1.1 Instability Processes in Soils a. Shear strength failure: Involves the relative displacement of a portion of the slope with respect to the adjacent mass. Conventionally, for the purpose of performing stability analyses, it is assumed that the failure occurs along a discrete surface, even though the movement may occur in a zone or stratum of considerable thickness. The types of shear strength failure are: (a) Rotational failure, (b) Translational failure, and (c) Compound failure.

b. Excessive deformation: Deformation in a slope is considered excessive when it compromises the service condition of the work. Deformations in a slope can occur due to the phenomenon of consolidation in cohesive fills, due to grain crushing in high granular fills, when an earthquake occurs, due to creep (see section 5.1.1 f), among others.

c. Liquefaction: Liquefaction consists of the significant reduction of the shear strength and stiffness of the soil, induced by the increase in hydrostatic pressure in the pores, caused by vibration, usually caused by an earthquake (cyclic loads). Liquefaction occurs in saturated, non-cohesive soils (loose gravels, loose sands, and silts with low-plasticity fines). Its study is outside the scope of this document and, for further detail, consult the CCCR.

d. Erosion: Erosion processes (e.g., sheet or concentrated - i.e., rills, gullies) occur when the hydraulic gradient induced by water on the slope surface is greater than the minimum required to initiate the movement of soil particles.

e. Piping: Also known as internal erosion, it occurs when the hydraulic gradient, induced by the transit of water within the body of the slope or a fill, is greater than the minimum required to initiate the movement of soil particles.

f. Creep: Consists of very slow to extremely slow movements of the subsurface soil, without a defined failure surface developing. Occasionally, creep can precede faster movements such as flows or landslides (Suárez, 1998). This instability process can cause accumulated and eventually excessive deformation problems.

5.1.2 Instability Processes in Rock a. Shear strength failure: Involves the relative displacement of a portion of the slope with respect to the adjacent mass. In order to perform stability analyses, it is conventionally assumed that the failure occurs along a discrete surface, even though the movement may occur in a zone or stratum of considerable thickness. The types of shear strength failure in rocks are:

i. In highly fractured rock (more than four discontinuity sets): rotational failure, translational failure, or compound failure.

ii. In fractured rock (one to three discontinuity sets): wedge failure or planar failure.

b. Toppling and rockfall: Process in which a rock mass detaches from a steep slope or hillside, generally without shear displacement occurring, the mass descending mainly through the air in free fall, bouncing, or rolling.

c. Compound mechanism: Process in which a layer of less competent material is present, interbedded with higher-quality rocks. Eventually, a shear strength failure occurs in the lower-quality material, which in turn can cause the tilting, toppling, or falling of blocks.

5.2 Definition of the Geotechnical Model a. Based on the investigation developed according to the guidelines set forth in chapters 3 and 4, a geotechnical model of the slope or hillside site must be created.

b. The geotechnical model for the slope stability analysis must include at least the following:

i. The stratigraphy of the subsoil.

ii. The depth (or position) of the water table and its temporal variations.

iii. The position of the rupture surface (in the case of analyzing a slope or hillside that shows evidence of sliding or where a failure has already occurred).

iv. The physical-mechanical properties of the different types of materials found. Their determination must contemplate the conditions of the pore pressure regime and its relationship with the shear strength parameters, that is, under drained conditions (long term), partial drainage conditions (intermediate term), and undrained conditions (short term) as appropriate.

v. The reciprocal effects between the ground and the proposed stabilization measures.

c. The geotechnical model for the analysis or design of the slope must define the rupture criterion that best fits the physical-mechanical properties obtained from the strength tests performed in the field and laboratory.

d. The rupture criteria commonly used in the stability analysis of slopes in soils are the following: i) Mohr-Coulomb, ii) Cam Clay, iii) Hyperbolic, and iv) Hardening Soil, among others. It is the responsibility of the responsible professional to select the rupture criterion that best fits the characteristics of the soil and the ground analyzed, based on the executed geological and geotechnical investigations.

e. For the case of rock slopes, the following rupture criteria for intact rock can be used: i) Hoek-Brown, ii) Mohr-Coulomb, iii) Bieniawski, iv) Fairhurst, v) Hobb, vi) Bodonyi, vii) Franklin, viii) Ramamurthy, ix) Johnston, x) Sheorey, xi) Yoshida, xii) Von Mises, xiii) Tresca, xiv) Modified Lade, xv) Modified Weibols-Cook, and xvi) Drucker-Prager, xvii) Griffith, among others. On the other hand, the rupture criteria used to calculate the strength of the discontinuities in the rock mass are: i) Mohr-Coulomb, ii) Barton-Bandis, and iii) Hoek and Brown. Table 12 shows a guide for the use of rupture criteria used to analyze stability in rock masses and the necessary data for their application.

Table 12. Rupture criteria in rock masses and necessary data for their application (adapted from González et. al., 2002) | Characteristics of the rock mass | Rupture along discontinuity planes | Rupture through intact rock | | --- | --- | --- | | Massive rock mass without discontinuities | Not possible | Hoek-Brown (mi for intact rock and s = 1) Mohr-Coulomb (c and _ for intact rock) | | Rock mass with one or two discontinuity sets | Mohr-Coulomb (c and _ for the discontinuity) Barton-Bandis (JCS, JRC and _r for the discontinuity) | Hoek-Brown (mi for intact rock and s = 1) Mohr-Coulomb (c and _ for intact rock) | | Rock mass with three or more discontinuity sets | Hoek-Brown (GSI, m, s and a for the rock mass) Mohr-Coulomb (c and _ for the rock mass) | Not possible | The definition of the geotechnical model, the knowledge of the ground conditions, and the quality control of the works are more important than the precision of the analysis methods to be used.

5.3 Analysis Methods Based on the identification of the instability processes that could affect a slope, the responsible professional in charge of the study must select the analysis method they consider most appropriate to estimate its degree of safety. A brief description of the methods for estimating the performance of slopes and hillsides is presented below as a guide.

To the extent possible, the simplest, most intuitive methods should be applied and subsequently contrasted with other more sophisticated methods. The use of more complex numerical methods does not necessarily mean that better results will be obtained.

5.3.1 Two-Dimensional Limit Equilibrium Method Two-dimensional limit equilibrium methods are used in geotechnical practice to investigate the stability of a soil mass or highly fractured rock (rotational, translational, or compound type failures), or in slightly fractured rock masses that generally exhibit planar type failures. These methods are especially useful for analyzing the stability of masses that tend to move under the influence of gravity. They consist of comparing the forces, moments, or stresses that tend to cause instability of the mass, and those that provide resistance.

Representative two-dimensional sections are analyzed and plane strain conditions are assumed. These methods consider that the shear strength of the materials along the potential failure surface is governed by a linear or non-linear rupture criterion between shear strength and normal stress on the failure surface.

The analysis is performed using a free body diagram of the ground, bounded below by an assumed or known slip surface (potential slip failure surface), and above by the ground surface. The conditions for the static equilibrium of the soil mass are used to calculate a factor of safety with respect to the shear strength of the ground.

The two-dimensional limit equilibrium analysis assumes that the factor of safety is the same along the entire slip surface. A factor of safety value greater than 1.0 indicates that capacity exceeds demand and that the slope is stable with respect to the analyzed failure surface. A factor of safety value less than 1.0 indicates that the slope is unstable.

The most common method for limit equilibrium analysis is the method of slices, where the ground above the potential slip surface is divided into vertical slices for the purpose of simplifying the analysis. Several methodologies have been developed that use the method of slices as a basis, which can result in different factor of safety values because: (a) they employ different assumptions to make the problem statically determinate, and (b) some of the methodologies do not satisfy all equilibrium conditions. These include the methods of Bishop, Janbu, Spencer, Morgenstern & Price, Love & Karafiath, Sarma, among others.

5.3.2 Three-Dimensional Limit Equilibrium Method This method considers the geometry of the failure surface in three dimensions. Like the two-dimensional limit equilibrium method, it seeks to solve the stability problem through assumptions that guarantee the isostatic definition of the problem. This method can be used to estimate the stability of surfaces with arbitrary geometry.

Most of the techniques developed do not satisfy all conditions of static equilibrium in three dimensions, and there is a lack of general methodologies for locating the critical slip surface.

5.3.3 Numerical Methods Numerical analysis methods (FEM: finite element method; FDM: finite difference method) are used in geotechnical practice to estimate the state of stresses, deformations, and water flow in the ground.

The factor of safety of a slope cannot be directly estimated using numerical analysis methods. However, the critical value of the strength reduction factor (SRF) can be determined by applying the shear strength reduction (SSR) method, which is analogous to the factor of safety obtained through the limit equilibrium method. A good complement to this technique is limit equilibrium analysis.

Numerical analysis methods are very useful for calculating the magnitude and direction of deformations, and their use is indispensable in the analysis of dams and other special slopes. They constitute the ideal analysis technique for studying ground-structure interaction and performing studies of the dynamic behavior of dams and high slopes.

The use of numerical analysis methods, applied to the study of water flow in the slope, allows the estimation of flow rates, pore pressures, and hydraulic gradients, among others.

5.3.4 Kinematic Analysis Method The objective of the kinematic analysis method is to identify the type of potential failure in fractured rock slopes.

This identification is carried out through stereographic analysis of the geological structures present in the rock mass, which control the instability processes.

Once the instability process has been identified, the factor of safety must be determined. The potential types of instability that can be determined through kinematic analysis and the corresponding method for finding the factor of safety are detailed below:

i. Planar sliding failure: analyzed using the two-dimensional limit equilibrium methodology.

ii. Wedge sliding failure: analyzed using the three-dimensional limit equilibrium methodology.

iii. Toppling of columns and blocks: analyzed using the two- or three-dimensional limit equilibrium methodology and considering a pivot point and the translation of the center of gravity of the unstable mass.

5.3.5 Probabilistic Analysis Methods Unlike the traditional (deterministic) approach, where all the parameters used in the analysis are constant, invariable values and are normally oriented towards considering the worst possible scenario, the probabilistic method for slope analysis and design takes into account the uncertainty associated with: i) the determination of shear strength parameters, ii) the position of the water table, iii) the pseudostatic seismic coefficient, iv) the slope geometry, and v) any other relevant and pertinent parameter involved in the calculation and modifications of the factor of safety.

The probabilistic method can be used to complement traditional deterministic analyses, with little additional effort. Although its use is not indispensable for the analysis or design of slopes, this probabilistic method provides the designer with a means to evaluate the degree of uncertainty associated with the factor of safety, which is why its use should be encouraged.

5.3.6 Analysis Methods for Estimating Deformations During Earthquakes To evaluate the deformations that occur during earthquakes, the Newmark sliding block method (Newmark, 1965), originally developed for dams and used for evaluating hillside behavior during earthquakes (Jibson, 1993), can be used. The methodology considers that the material present on the failure surface plasticizes and the mass bounded above this surface slides, exhibiting rigid behavior during an earthquake.

5.3.7 Analysis Methods for Evaluating the Influence of Liquefaction on the Stability of Slopes and Hillsides To evaluate the potential for liquefaction during earthquakes and its influence on the stability of slopes and hillsides, the retrospective method presented by Ishihara, Yasuda, and Yoshida (1990), the liquefaction severity index (LSI) method developed by Youd and Perkins (1987), the method proposed by Hamada, Yasuda, and Isoyama (1987), the method for obtaining residual strength from SPT and CPT tests proposed by Seed, Tokimatsu (1985), Youd and Idriss (2001), or Idriss and Boulanger (2004), among others, can be used.

5.3.8 Analysis Methods for Evaluating the Influence of Internal Erosion (Piping) on the Stability of Slopes and Hillsides The purpose of internal erosion analyses is to verify that the hydraulic gradient induced in a slope, hillside, or dam does not exceed the maximum permissible value defined as the critical hydraulic gradient. The calculation of the hydraulic gradient used for the internal erosion analysis can be performed by constructing flow nets or through analysis with numerical methods (Article 5.3.3).

5.4 Other Analysis Procedures Other procedures that can be used for the analysis of slopes and hillsides are presented below. These can be complemented with the analysis methods indicated in the previous section.

5.4.1 Back-Analysis Method In slopes or hillsides where landslides have already occurred or are occurring, and sufficient information exists (geometry before and after failure, location of the water table, among others), it is possible and advisable to perform back-analysis in order to estimate the representative strength parameters along the failure plane. Since the slope has already failed, the factor of safety considered in the back-analysis must be practically equal to unity (1.0). The parameters obtained with this method must be taken into account in the design of the solutions.

5.4.2 Analysis by Precedent Method In some cases, analysis by precedent can be used to dimension slopes. This method consists of using the geometry of slopes that have proven to be stable over a long time in similar climatic and geological conditions. The main danger of using design by precedent arises when it is extrapolated to an environment with even subtle differences that can have a significant influence (Deere and Patton, 1971). Therefore, this method is considered valid only for performing preliminary dimensioning of slopes during the conceptual design stages, and then, during subsequent stages, it must be complemented with other more rigorous and detailed analysis methodologies.

5.4.3 Observational Method The observational method consists of the application of a continuous, managed, and integrated process of analysis and evaluation. For its application, the use of instrumentation is indispensable, as well as its control, monitoring, and evaluation, which allow for previously defined modifications to be made. The ultimate objective of the observational method is to achieve greater overall economy without compromising safety (Terzaghi et al., 1996).

5.4.4 Analysis of Flows and Avalanches The analysis of flows and avalanches implies the use of tools from both soil mechanics and fluid mechanics, generally integrated using numerical methods in two or three dimensions, and through the application of models and the use of geographic information systems to show the results of the scenario analysis. Therefore, the analysis of this type of instability in slopes and hillsides is outside the scope of this standard.

6 Protection and Stabilization Systems for Slopes and Hillsides The definition and decision on the type of protection and stabilization used on a slope or hillside must be the result of the geotechnical stability evaluation. For this, factors such as the dimensions of the slope, the identified or potential failure modes, the availability of construction materials, the importance and useful life of the work, and the effects on third parties (i.e., human lives, economy, environment, infrastructure, etc.) must be taken into account, among others.

In the selection of stabilization systems, the availability and cost of materials, the need for temporary works, personnel safety, logistics, construction times, space limitations on the site, limitations due to environmental impacts, the useful life of the structure, and the associated maintenance costs and needs must also be considered.

Any solution implemented to guarantee the stability of a slope or hillside must be verified by the responsible professional, using a reliable geotechnical model as a basis, according to the guidelines set forth in Article 5.2 and complying with the level of safety, minimum factors of safety, and probabilities defined in Chapter 2.

It is common for the optimal solution (in economic and safety terms) to guarantee the adequate performance of a slope to be the combination of two or more protection or stabilization techniques, especially regarding drainage.

This chapter details some of the protection and stabilization systems used on slopes excavated in soil or rock, without intending this to be a design guide, which may be implemented according to the identification of the failure mechanisms.

6.1 Earthworks (Movimiento de Tierra) Earthworks (Movimientos de tierra) carried out for the purpose of stabilizing slopes must be executed following the guidelines established in Division 200 of the Manual de especificaciones generales para la construcción de carreteras, caminos y puentes (CR-2010). Any earthworks (movimiento de tierra) proposed as a solution to a stability problem (material removal, material addition, or inclusion of berms) must be the result of the slope or hillside stability analysis performed on a reliable geotechnical model.

Furthermore, and if necessary, it is recommended to perform earthworks (movimiento de tierra) to remove materials that have slid from the toe of the slope or hillside. The stability of the resulting slope must be verified by means of an adequate geotechnical model, with the objective of avoiding the worsening of instability conditions.

6.1.1 Inclusion of Berms The main objectives of including berms are to restrict the extension of slope failures to a specific zone, reduce the kinetic energy of rock blocks that may fall when detaching from the slope, serve as a place to locate water management structures, and allow for the maintenance of the slope or its structures. To include berms on slopes, it is necessary to have adequate space in the middle of the slope. Attention must be paid to the fact that berms can be detrimental for the stabilization of slopes formed by materials that have a high susceptibility to degradation over time, so their use is not recommended without the application of an adequate treatment to prevent the negative effects of environmental agents. If the planned berms are desired to be traversable, access points as well as adequate widths and slopes must be provided.

In general, berms must have a transverse slope towards the interior of the slope, to prevent both water and possible upper detachments from being directed towards the lower part of the slope. Furthermore, the need to provide a lined ditch at the contact of the berm with the toe of the upward slope must be assessed.

6.1.2 Toe Fills and Riprap A simple way to improve the factor of safety of an already constructed slope or a hillside that presents stability problems is by placing a fill at the toe (which can be of the riprap type), which provides passive thrust.

This fill can also intercept possible slip surfaces through a small embedment, which allows for an increase in shear strength along it.

This method is very effective in not very large rotational landslides. Competent foundation soil is required for the material at the toe of the slope. The fill material must be specially selected for this purpose. The amount of material to be placed must be defined based on the stability analysis.

6.1.3 Removal of Material from the Crest Removing material from the upper part of a slope or hillside can produce a balance of forces that generates an increase in stability. The removal of material is effective for increasing the factor of safety of unstable ground masses. In very large landslides, the mass of ground that must be removed can be very large, which increases the costs of earthworks (movimiento de tierras).

6.1.4 Removal of Unstable Blocks Rock blocks with the potential to roll and fall from a cut slope or hillside can be identified and removed, thereby reducing the threat. Removal can be carried out manually, through the use of controlled blasting, or by using mechanical means. This technique may be unsuitable on highly fractured rock slopes or on very high slopes.

6.2 Drainage The action of water, in one form or another, is usually present in almost all slope and hillside instability problems. Therefore, its proper management is essential to prevent or resolve this type of problem, so drainage measures almost always complement other actions and, on occasion, may even be sufficient by themselves to guarantee or recover stability.

The measures indicated below have the objective of capturing unwanted or harmful flows and conducting them in an orderly manner to discharge points away from the problem area. It is therefore especially important that the following rules are respected in all of them:

All drainage systems must be accessible for inspection (registrables), so that it can be verified that they collect the anticipated flows and are therefore effective. These inspection accesses (registros) must also allow for the cleaning of sediments and vegetation when necessary.

The outlet of the drainage systems shall be connected to an evacuation system by means of collectors, ditches (cunetas), etc., which carry the effluents away from the problem points.

It is essential to monitor and verify the functioning of the drainage systems, both in the drained mass and at the evacuation points, since if water evacuation does not occur, the effect could even be counterproductive by attracting and concentrating water inside the masses intended to be drained.

6.2.1 Surface Drainage (Drenaje superficial) This category includes drainage ditches (zanjas) and channels. Surface drainage structures can be located at the slope crest, on intermediate berms, halfway down the slope, or intercepting water around the perimeter and outside the slope area.

The design of surface drainage must also include the detail of collector channels, energy dissipation structures, as well as protection measures against surface erosion, necessary to guarantee slope stability and minimize the amount of sediments that cause a negative environmental impact. These works must be considered from the design stage of the slope project.

The structures used for surface drainage of a slope must be dimensioned using available hydrological information. However, in some cases, a specific hydrological study may be necessary. For their construction, the guidelines stipulated in divisions 600 and 650 of the CR-2010 must be followed.

6.2.2 Subdrainage (Subdrenaje) Subdrainage systems (subdrenajes) are trenches excavated by hand or with a backhoe that are filled with draining material and for water transport. They are usually used to prevent the generation of water pressures in retaining walls (muros de contención), as well as to lower the water table (nivel freático) in slopes, with the consequent reduction in pore pressure, thus improving stability against sliding.

In the design and construction of subdrainage systems (subdrenajes), the guidelines given in section 6.5.2 of the CCCR and in divisions 600 and 650 of the CR-2010 must be followed.

6.2.3 Deep Drainage (Drenaje profundo) This drainage category includes boreholes drilled from the slope toe or from berms, wells, and drainage galleries. Their main objective is to lower the water table (nivel freático) in order to decrease pore pressure and consequently improve slope stability. Their dimensioning must be carried out using the geological, hydrogeological, and geotechnical information of the study site.

A systematic pattern of boreholes is generally proposed for its design, which must be optimized based on the field conditions encountered during the construction stage.

The design of deep drains in fractured rock slopes must be focused on intercepting the maximum possible number of discontinuities.

In the design of deep drains, it must be verified that the critical gradient of the material is not exceeded and that the fines present in the ground are not carried away by the water. For this, the drains must be protected through the use of granular or geosynthetic materials that comply with filter laws.

Flow measurements must be made at the outlet of the drains to verify their efficiency. The frequency of the measurements must be defined by the responsible professional, according to the project conditions.

6.3 Walls (Muros) The dimensioning of any type of wall must guarantee stability against overturning, sliding, and bearing capacity of the foundation as set forth in Chapter 6 of the CCCR. The line of action of the resulting stresses on the structure must be located in the middle third of the base; otherwise, the professional in charge of the design must adequately justify the case.

The greatest risk to the stability of a retaining wall (muro de contención) is the presence of water pressures on its backfill side (trasdós) or its toe, which significantly reduces its safety. It is therefore essential to accompany any retaining structure with appropriate drainage measures, even if the direct presence of water was not detected during prior reconnaissances.

6.3.1 Rigid Walls (Muros rígidos) 6.3.1.1 Cantilever Walls (Muros en voladizo) Cantilever walls (muros en voladizo) are structures that resist bending stresses, and mostly use part of the self-weight of the soil resting on their base to guarantee their equilibrium. They are usually built with reinforced concrete or reinforced masonry.

This type of wall generally requires smaller volumes of concrete at low heights when compared to gravity walls, and they use conventional construction methods in which most construction foremen have sufficient experience.

However, cantilever walls require good bearing capacity in the foundation and the use of special formwork. The difficulty is that they can become uneconomical for very large heights and, being lightweight, they are unsuitable in many cases for stabilizing large soil mass landslides. For their design and construction, the guidelines stipulated in Division 250 of the CR-2010 must be followed.

6.3.1.2 Gravity Walls (Muros de gravedad) The stability of these walls is guaranteed through the self-weight of the work. They can be made of conventional concrete, cyclopean concrete, hard fill, masonry, gabions (according to their geometry), among others.

Gravity walls are generally relatively simple to build, require low maintenance costs, and can adopt different geometries and be used for architectural purposes.

For their execution, they require high bearing capacity in the foundation. Except for the case of gabions, they are rigid structures that do not support significant deformations and are not capable of resisting high bending stresses.

6.3.2 Flexible Walls (Muros flexibles) Flexible walls are structures whose stability is guaranteed through the self-weight of the work. They can be built with gabions, crib walls (celosías), tires, among other materials.

In general, flexible walls are relatively simple to build and support significant deformations. Gabion and crib walls allow the relief of water pressures, as long as they are adequately drained. Crib walls can adopt different geometries and be used for architectural purposes. Tire walls help with the recycling of waste materials with low biodegradability.

The use of crib walls (celosías) is limited because they require granular draining material and, furthermore, compaction of the fill material is difficult inside and near the cribs. Tire walls, for their part, are susceptible to fire, and there are no reliable procedures for their design.

Regarding gabion walls, they require sound rock fragments or blocks, which may not be available at all sites. Additionally, they use galvanized steel mesh that must resist corrosion in acidic environments. For the design and construction of gabion walls, the guidelines stipulated in Division 250, Sections 253 and 257 of the CR-2010 must be followed.

6.3.3 Reinforced Soil Walls (Muros de suelo reforzado) These walls are structures where reinforcement elements are placed directly inside the ground to increase its resistance to tensile and shear stresses. These elements can be galvanized steel (metal strips), geosynthetics, soil columns improved with cementitious material, among others that work together with the ground.

They are relatively easy to build, easily adapt to the existing topography, and generally use soil as the main construction element, although some walls of this type require select materials for their construction. Depending on the type of wall reinforcement, they can be built on weak foundations and tolerate high ground deformations and differential settlements, in addition to being easy to demolish or repair. On occasion, depending on the type of wall (wall reinforcement), competent foundation material may be required. Reinforced soil walls require a larger construction space than any other retaining structure.

It must be demonstrated in the design that the stresses acting on the reinforcement elements do not exceed their working capacity. For their design and construction, the guidelines stipulated in Division 250, Section 255 of the CR-2010 must be followed.

6.5 Anchored Structures (Estructuras ancladas) The stability of these structures is guaranteed by means of anchors that transfer loads to the ground or to specific anchoring structures. The anchoring elements can be passive type (usually steel bars embedded in grout) or active (high tensile strength steel tie rods or tendons, prestressed, with a bulb that transmits loads to the ground).

The structure can be continuous, in a grid, or individual plates. For its construction, reinforced or unreinforced shotcrete, reinforced or unreinforced conventional concrete, steel plates, or high-strength steel meshes are used, among others.

They are useful as retaining structures, in small to medium-sized soil masses, stabilization of rock blocks, stabilization of rock wedges, stabilization of planar type failures in rock, among others. Disadvantages in the use of anchored structures for slope stabilization include the need for specialized equipment for their execution, in addition to their high construction cost and, on some occasions, maintenance cost.

For their design and construction, at minimum, the guidelines stipulated in Division 250, Sections 256, 257, 259 and 261 of the CR-2010 or in the FHWA design manuals must be followed.

6.5 Embedded Structures (Estructuras enterradas) 6.5.1 Sheet Piles (Tablestacas) Sheet piles (tablestacas) are retaining structures constituted by prefabricated elements, usually steel, which are driven into the ground. Their construction is fast and does not require prior excavations, which is why they are frequently used for stabilizing cuts at the edge of water bodies or rivers. Combining the use of sheet piles and anchors allows stabilizing cuts with greater heights. The main disadvantage of sheet piles lies in their construction method, because being driven into the ground, they cannot be built on sites with the presence of blocks or in rock.

6.5.2 Piles (Pilotes) There are two types according to their construction method: driven or pre-excavated. They are reinforced concrete, steel, or timber structures, effective in stabilizing shallow mass movements, where competent soil exists below the failure surface to support the piles. Piles do not require earthworks (movimiento de tierras) for their construction, the slope stability is very little affected during their construction, and their efficiency improves if they are anchored at the head.

The piles must be designed geotechnically and structurally to support lateral load, and an adequate embedment depth must be guaranteed. Generally, more than one row is placed, and they require cap beams and bracing for their interconnection.

Their use is inefficient in deep rotational landslides, as a large number of heavily reinforced piles of significant length, and therefore costly, may be required to stabilize the mass movement.

6.5.3 Drilled Shafts (Pilas) Drilled shafts (pilas) are reinforced concrete elements that must pass through the failure surface and are embedded in rock or competent soil. Anchorage in the competent stratum generates lateral bearing capacity resistance, allowing the shaft to develop a force that opposes the landslide movement. They have the advantage that there is no need to cut the slope before building them, they use conventional construction systems, they can be executed in sites of difficult access, and several shafts can also be built simultaneously.

They must be designed geotechnically and structurally to support lateral load, and an adequate embedment depth must be guaranteed. Normally, more than one row is placed, and they require cap beams and bracing for their interconnection.

Among the disadvantages of using drilled shafts as stabilization elements are their high cost, given that they must be deepened well below the excavation toe, and in addition, pumping is required to control the water table (nivel freático) during their construction.

6.6 Slope Surfacing (Revestimiento de taludes) Slope surfacing contributes mainly to surface erosion control. To carry out this process, the guidelines stipulated in divisions 150 and 600 of the CR-2010 must be followed.

Slopes excavated in soil can be surfaced with hydraulic concrete, geotextiles, paving stones, concrete block masonry, dressed stone, undressed stone, or cellular concrete blocks. In general, the effect on the overall stability of the slope of the aforementioned methods is very low.

Vegetation on slopes, which includes the use of deep-rooted trees and shrubs, can provide cohesive resistance to the most superficial soil layers, facilitating underground drainage and reducing the probability of shallow landslides.

Slopes excavated in rock can be surfaced with shotcrete (with or without reinforcement), which can absorb the stresses developed by the rock, preventing the opening of new fissures or new discontinuities, reducing the possibility of rockfalls, and preventing deterioration of the rock surface exposed to environmental agents and weathering.

6.7 Barriers and Impact Structures (Barreras y estructuras de impacto) The main objective of these barriers and structures is to reduce the kinetic energy of rock blocks that have the potential to fall down the slope. Their dimensioning must be done using numerical methods that simulate the energy and trajectory of the rock blocks falling down the slope. The most commonly used types of barriers and impact structures are:

i. Rigid Impact Walls: These are rigid structures built to stop rock blocks or debris flow. They are barriers that use plain concrete, reinforced concrete, cyclopean concrete, gabion, rock block, or reinforced soil walls. Interceptor walls are used as a barrier that stops the rolling or bouncing process of rock blocks and prevents them from reaching the road or structure requiring protection. Concrete and gabion walls are very vulnerable and can be easily destroyed by the impact of blocks. They can be built in conjunction with cushioning trenches to increase their interception and block storage capacity.

ii. Flexible Barriers: This is a system of components (steel mesh and anchors) placed on the slope surface, with the capacity to absorb the kinetic energy developed by rock block falls or debris flows. The energy absorption capacity of flexible barriers depends on the mechanical resistance of the constituent elements, their stress-strain characteristics, and the overall stability of the system.

iii. Cushioning Trenches: These are built to prevent falling rock blocks from affecting a transportation route. They represent a very effective solution when adequate space exists for their construction. The width, depth, slope, and storage capacity of the trench must be designed. The width and depth of the trenches are related to the height and slope of the slope and the estimation of the kinetic energy of the blocks that will fall.

iv. False Structural Concrete Tunnels: Reinforced concrete structures with a fill to cushion the impact of the blocks, inclined at a certain slope to allow the passage of rockfalls, flows, and avalanches over them. Generally, they are very costly works and their use is limited to sites where other forms of stabilization are not effective and when the problems are sufficiently serious to justify the economic investment.

The design of these containment and fallen block control works must be carried out by a geotechnical specialist with experience in this type of solution.

7 Geotechnical Instrumentation and Inspection for Slopes and Hillsides Geotechnical instrumentation consists of monitoring and alert systems used to corroborate the geotechnical model of a slope or hillside, detect anomalies, and protect lives, infrastructure, investments, and the environment. They do not, by themselves, prevent the instability of a slope or hillside, but they are elements of great importance for obtaining data whose purpose is to carry out retrospective or verification analyses, as well as for decision-making in landslide risk management in susceptible zones.

Geotechnical Instrumentation 7.1 a. The typical situations in which the geotechnical instrumentation of a slope or hillside is required are the following:

i. Determination of the depth and shape of the failure surface of an active landslide.

ii. Determination of vertical and horizontal movements within a landsliding mass.

iii. Determination of the landslide rate and definition of a landslide rate warranting an alarm.

iv. Monitoring stability and deformations around zones where cuts or fills are executed.

v. Monitoring of groundwater levels or pore pressures and their correlation with landslide activity.

vi. Placement of measurement systems and communication to alert, alarm, warning, and response systems in the face of the threat of hillside and slope instability.

vii. Monitoring and evaluation of the effectiveness of the different stabilization or control systems installed.

viii. Measurement of lateral soil pressure and stresses in support elements.

ix. Verification of design premises during the construction and operation stage, where the material shows its real characteristics or properties, including its behavior under working conditions and temporary loads (e.g., earthquake, rain, overloads).

b. The verification of design premises must be understood as an implicit necessity of the geotechnical exploration, evaluation, and design process, which is based on isolated, specific boreholes, to which an area of influence was assigned, with their respective properties, characteristics, and physical-mechanical parameters.

c. In landslide-prone areas, alert, warning, alarm, and response systems must be designed, which, in addition to the instrumentation of slopes and hillsides, must include information processes for decision-makers and the communities that could be affected by a possible event.

d. The instrumentation of a slope or hillside must be defined by the responsible professional based on the risk level of human life loss, economic losses, or environmental losses as defined in Table 1 and Table 2 of Article 2.1, and the geotechnical complexity of the studied site as stipulated in Article 4.1.3. Table 13 shows the instrumentation classes for slopes and hillsides, based on risk aspects and geotechnical complexity.

Table 13. Instrumentation classes in slopes and hillsides

e. The requirements defined in Table 13, for each of the instrumentation classes, are the following:

i. Class A: Instrumentation is considered optional; it must be used when the responsible professional deems it necessary.

ii. Class B: The installation of instruments that provide relevant data and allow guaranteeing and verifying the stability or instability of slopes and hillsides is recommended.

iii. Class C: Instrumentation on slopes and hillsides is considered mandatory. Instrumentation in dams is also considered mandatory.

f. The measurements from the instruments placed as part of the instrumentation process of a slope or hillside must be interpreted by an experienced professional.

g. The frequency of instrumentation measurements must be defined by the responsible professional, based on the geotechnical model of the slope or hillside and according to the specific needs of the case (i.e., design verification, alert, warning, alarm-response system, among others).

h. Any eventual anomalies that may be detected throughout the monitoring of the data evolution provided by instrumentation, such as excessive displacements or loads, very high water levels or flows, or damaged instruments without the possibility of taking readings, must be immediately communicated to the owner of the work or to the competent government entities in risk management.

The instruments selected for the monitoring of a hillside or slope, as well as the management system for the data derived from them, must satisfy minimum requirements that endorse their utility, such as the following:

Readings and measurements must be quantifiable magnitudes.

They must be able to be modeled and introduced into the calculation and verification schemes, as well as to obtain the reference values:

- Predicted values - Range of variation - Limit values to guide the alert, warning-alarm-response system It is important to be able to define behaviors through various magnitudes to contrast results.

The comparison of the values predicted during the instrumentation design phase with those obtained during monitoring must allow the verification of the design and, if necessary, its modification, in order to adapt the project's forecasts to reality.

Prior to the installation of the instrumentation and the obtaining of data and results, the action procedure (i.e., protocol) must be drafted for the event that values exceeding the established limits are detected.

7.2 Type of Instrumentation a. The responsible professional is in charge of defining the type of measurement required, the type of instrument that best suits the needs of the slope or hillside to be studied, the location, depth, installation method, measurement and interpretation methodology, and the presentation of the data and information collected from the installed instrumentation.

b. The instruments normally used and their applications are the following:

i. Control of displacements at depth by means of inclinometers. Inclinometers must exceed the depth of the assumed rupture and ground movement plane.

ii. Location of the failure surface using reflectometry (TDR). The placed cable must exceed the depth of the assumed rupture and ground movement plane.

iii. Control of superficial horizontal and vertical movements (inclination and displacements) through surface markers, with precise topographic control and from bases located outside the area subject to displacements.

iv. Control of superficial displacements by means of vertical and horizontal extensometers, of the rod or magnetic type.

v. Control of turns and rotations using gyrometers.

vi. Control of the opening of fractures, joints, cracks, or fissures, through the installation of control points, crack meters, measurements with invar steel tape, seals, or other devices.

vii. Measurement of loads (i.e., stress) acting on active or passive anchors through load cells, electrical strain gauges, or a pump/hydraulic jack assembly.

viii. Measurement of pressures acting on retaining structures by means of load cells.

ix. Measurement of pore pressure through the installation of open, vibrating wire, pneumatic, or fiber optic piezometers.

x. Measurement of water flows drained by devices, sub-horizontal drains, wells, and drainage galleries.

xi. Measurement of precipitation through the installation of meteorological stations that include rain gauges and, preferably, pluviographs.

xii. Measurement of accelerations through the installation of accelerographs.

c. Other types of instruments may be used, provided they meet the project's needs. All instruments installed for observation, surveillance, and monitoring must be protected against possible acts of vandalism and deterioration from exposure to the elements.

In the selection of the types of measuring devices, their number, and location, at least the following aspects must be considered:

· Physical principle on which they are based · Robustness, reliability, precision, and admissible tolerances · Measurement range · Siting and monitoring limitations · Desirability of locating them in representative sections of the works that allow their correlation · Interferences with the works or structures The equipment must be fully accessible to monitoring technicians even in adverse weather conditions, and must be protected from vandalism and the elements by means of manholes and other suitable devices.

The possibility of equipment loss must be especially assessed. This is particularly frequent in the study of active movements, which causes, apart from the economic loss, the interruption of information which could even occur at the most critical moment. It also usually occurs accidentally during the execution of works, thus losing the possibility of contrasting the predicted results.

A common recommendation, although it may seem excessive, consists of duplicating the number of essential pieces of equipment.

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Appendix 1 TEMPLATE - PRELIMINARY INSPECTION REPORT Appendix 2 FIELD TESTS Table 14, as a guide, indicates some direct field tests applicable in soils, while Table 15 includes some field tests applicable to the study of rocks. Both tables present the objectives for performing each of the geotechnical tests.

In addition to direct field tests, geophysical prospecting methods can be used. This type of prospecting, which must be carried out by an experienced and qualified professional, constitutes important support for direct field tests in defining the geotechnical model, but under no circumstances do they substitute for them.

The standards for applying geophysical investigation methods can be consulted in the ASTM standards. Table 16 is presented as a guide indicating some geophysical investigation methods.

Table 14. Types of field tests in soils and their main objectives

Table 15. Types of field tests in rocks and their main objectives

Table 16. Geophysical investigation methods

Appendix 3 LABORATORY TESTS The most commonly used standards for carrying out these laboratory tests are those of the ASTM standards. As a guide, Table 17 is presented indicating some laboratory tests for soils and Table 18 indicating some laboratory tests for rocks; in both cases, the objectives of their execution are presented.

Table 17. Types of laboratory tests in soils and their main objectives

Table 18. Types of laboratory tests in rocks and main objectives

Effective as of its publication in the Official Gazette La Gaceta.

en la totalidad del texto - Texto Completo Norma 02 Código Geotécnico de Taludes y Laderas de Costa Rica Texto Completo acta: 107847 COLEGIO FEDERADO DE INGENIEROS Y DE ARQUITECTOS "La Asamblea de Representantes del Colegio Federado de Ingenieros y de Arquitectos en su sesión extraordinaria Nº 02-14/15-A.E.R. de fecha 28 de julio de 2015, acordó lo siguiente:

CÓDIGO GEOTÉCNICO DE TALUDES Y LADERAS DE COSTA RICA Asociación Costarricense de Geotecnia Comité Técnico del Código de Cimentaciones de Costa Rica Redacción y Esquema Fundamental Marcia Cordero Sandí Marlon Jiménez Jiménez Gastón Laporte Molina José Antonio Rodríguez Barquero José Pablo Rodríguez Calderón Sergio Sáenz Aguilar Marco Tapia Balladares Marco Valverde Mora Secretario Ejecutivo: Danilo A. Jiménez Ugalde Revisión Prof. Ing. Manuel García López Prof. Ing. Juan Diego Bauzá Castelló Prof. Ing. Geol. Sergio Mora Castro.

TABLA DE CONTENIDOS 1 Introducción ..................................................................................... .......................................................... 4 1.1 Filosofía....................................................................................... ............................................................ 4 1.2 Objetivo ....................................................................................... ............................................................ 4 1.3 Alcance ........................................................................................ ........................................................... 4 1.4 Premisas generales ............................................................................. ................................................ 5 1.5 Términos y definiciones ........................................................................ .............................................. 5 2 Criterios de diseño .............................................................................. ..................................................... 6 2.1 Definición del nivel de seguridad .............................................................. ........................................ 6 2.2 Factores de seguridad mínimos para taludes en general ............................................................ 6 2.3 Factores de seguridad mínimos para taludes de presas pequeñas y diques .......................... 7 2.4 Valores aceptables de probabilidad de falla ................................................................................... 8 2.5 Coeficientes seudoestáticos para aplicar durante el análisis de taludes .................................. 9 2.6 Definición de condiciones de análisis especial .............................................................................. 10 3 Evaluación preliminar del talud .................................................................. .......................................... 10 3.1 Estudio de la información disponible .............................................................................................. 10 3.2 Inspección inicial de las condiciones del talud o ladera .............................................................. 10 3.3 Estudios complementarios ....................................................................... .......................................... 11 3.3.1 Levantamiento topográfico .................................................................... .......................................... 11 3.3.2 Reconocimiento geológico preliminar .......................................................................................... 12 4 Investigaciones geotécnicas ...................................................................... ............................................ 12 4.1 Generalidades .................................................................................. .................................................... 12 4.1.1 Planificación de la investigación ................................................................................................... 12 4.1.2 Alcance de la investigación .................................................................. ......................................... 13 4.1.3 Definición de la complejidad geotécnica del talud ................................................................... 13 4.2 Investigación geotécnica según la etapa del proyecto ............................................................... 14 4.3 Investigación de campo ......................................................................... ............................................ 14 4.4 Investigación de laboratorio ................................................................... ........................................... 15 5 Análisis de Taludes y Laderas .................................................................... ......................................... 15 5.1 Identificación y caracterización del proceso de inestabilidad ................................................... 15 5.1.1 Procesos de inestabilidad en suelos ........................................................................................... 15 5.1.2 Procesos de inestabilidad en roca ............................................................................................... 16 5.2 Definición del modelo geotécnico ................................................................................................... 16 5.3 Métodos de análisis ............................................................................ ................................................ 17 5.3.1 Método de equilibrio límite en dos dimensiones ....................................................................... 17 5.3.2 Método de equilibrio límite en tres dimensiones ....................................................................... 18 5.3.3 Métodos numéricos ............................................................................ ............................................. 18 5.3.4 Método de análisis cinemático ................................................................ ..................................... 18 5.3.5 Métodos de análisis probabilísticos ............................................................................................. 18 5.3.6 Métodos de análisis para estimar deformaciones durante sismos ....................................... 19 5.3.7 Métodos de análisis para evaluar la influencia de la licuación en la estabilidad de taludes y laderas... .......................................19 5.3.8 Métodos de análisis para evaluar la influencia de la erosión interna (tubificación) en la estabilidad de taludes y laderas .............................19 5.4 Otros procedimientos de análisis ................................................................................................... 19 5.4.1 Método de retroanálisis ...................................................................... ........................................... 19 5.4.2 Método de análisis por precedente ............................................................................................ 19 5.4.3 Método observacional ......................................................................... .......................................... 19 5.4.4 Análisis de flujos y avalanchas ................................................................................................... 19 6 Sistemas de protección y estabilización de taludes y laderas ..................................................... 19 6.1 Movimiento de tierra ........................................................................... ............................................... 20 6.1.1 Inclusión de bermas .......................................................................... ............................................. 20 6.1.2 Rellenos al pie y escolleras ................................................................. ......................................... 20 6.1.3 Remoción de material de la corona ............................................................................................ 20 6.1.4 Remoción de bloques inestables ................................................................................................ 20 6.2 Drenaje ........................................................................................ ......................................................... 21 6.2.1 Drenaje superficial .......................................................................... ................................................ 21 6.2.2 Subdrenaje ................................................................................... .................................................... 21 6.2.3 Drenaje profundo ............................................................................. ............................................... 21 6.3 Muros .......................................................................................... .......................................................... 21 6.3.1 Muros rígidos ................................................................................ .................................................... 22 6.3.2 Muros flexibles .............................................................................. .................................................... 22 6.3.3 Muros de suelo reforzado ..................................................................... .......................................... 22 6.4 Estructuras ancladas ........................................................................... ............................................... 23 6.5 Estructuras enterradas ......................................................................... .............................................. 23 6.5.1 Tablestacas .................................................................................. ...................................................... 23 6.5.2 Pilotes ...................................................................................... ............................................................ 23 6.5.3 Pilas ........................................................................................ ............................................................. 23 6.6 Revestimiento de taludes ....................................................................... ............................................ 23 6.7 Barreras y estructuras de impacto .................................................................................................... 24 7 Instrumentación e inspección geotécnica para taludes y laderas ................................................. 24 7.1 Instrumentación geotécnica ..................................................................... ........................................... 24 7.2 Tipo de instrumentación ........................................................................ ................................................ 26 8 Referencias ...................................................................................... ........................................................... 27 8.1 Normativas nacionales .......................................................................... ................................................ 27 8.2 Normativas internacionales ..................................................................... ............................................. 27 8.3 Manuales de diseño y métodos sugeridos ....................................................................................... 28 8.4 Otras referencias .............................................................................. ...................................................... 29 Apéndice.1.......................................................................................... .............................................................. 30 Apéndice 2 ......................................................................................... ............................................................... 33 Apéndice 3 ......................................................................................... .............................................................. 35 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Nivel de riesgo contra pérdida de vidas humanas (adaptado de GEO, 2011) ..................... 6 Tabla 2. Nivel de riesgo contra daños económicos y ambientales (adaptado de GEO, 201........... 6 Tabla 3. Factores de seguridad para el diseño de taludes permanentes y análisis de lad............. 7 Tabla 4. Factores de seguridad para el diseño de taludes tempor.................................................... 7 Tabla 5. Factores de seguridad mínimos para taludes de presas clase III en condición estática .. 8 Tabla 6. Factores de seguridad mínimos para taludes de presas clase III en condición seudoestática . .................................................................................................... .............................................. 8 Tabla 7. Probabilidad de falla aceptable en taludes (adaptado de Santamarina, et al., 1992 en Look, 2007) ....................................... 8 Tabla 8. Tipos de sitio y sus parámetros geotécnicos (propiedades promedio de los 30 m superficiales) (CSCR, 2010) ................................. 9 Tabla 9. Coeficientes seudoestáticos horizontales con un periodo de retorno de 150 años ............ .................................................................................................... ............................................................ 9 Tabla 10. Coeficientes seudoestáticos horizontales con un periodo de retorno de 475 años (Laporte, 2005) .............................................................................................. ............................................... 10 Tabla 11. Clasificación del nivel de investigación mínima en taludes ............................... .................................................................................................... ....................................... 13 Tabla 12. Criterios de ruptura en macizos rocosos y datos necesarios para su aplicación (adaptado de González et. al., 2002) .................................................................................................... ..................................................................... 17 Tabla 13. Clases de instrumentación en taludes y laderas ................................................................ 25 Tabla 14. Tipos de ensayos de campo en suelos y sus objetivos principales ................................ 34 Tabla 15. Tipos de ensayos de campo en rocas y sus objetivos principales .................................. 34 Tabla 16. Métodos de investigación geofísicos .................................................................................... 34 Tabla 17. Tipos de ensayos de laboratorio en suelos y objetivos principales ................................. 35 Tabla 18. Tipos de ensayos de laboratorio en rocas y objetivos principales ................................... 35 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Clases de presas (adaptado de Amberg et al., 2002) .......................................................... 8 PREFACIO Las constantes pérdidas económicas y, sobre todo, la pérdida de vidas humanas, ocasionadas por los deslizamientos del terreno disparados ya sea por amenazas (e.g. lluvias y/o sismos intensos) o por factores antrópicos (vibraciones, explosiones, socavación, alteración de la geometría de la topografía natural, sobrecargas, construcción inadecuada de rellenos y terraplenes, entre otros), son preocupación de muchos grupos e instituciones del país.

Por ejemplo, las autoridades encargadas del desarrollo y mantenimiento vial, han estado muy preocupadas por las constantes interrupciones del tránsito en las principales carreteras del país y por los elevados costos que significa volver a poner en servicio una vía. Esto ha sido la causa de que el tema de estabilidad de taludes y laderas sea un tema primordial que requiere de una normativa específica para su análisis y consideración.

La Asociación Costarricense de Geotecnia (ACG), ha decidido atender esta prioridad, tanto por la importancia del tema, como por encontrarse dentro de los mandatos en según su acta constitutiva. Por ello decidió encomendar al Comité Técnico del Código de Cimentaciones de Costa Rica, la elaboración de un Código que regule los temas asociados con el diseño de taludes y análisis de laderas.

Este Comité, conformado por profesionales vinculados a la academia y al ejercicio profesional en el campo de la geotecnia, se abocó, con entusiasmo, dedicación y entereza, a preparar un documento con el fin de que los diseños de los taludes y laderas sean realizados de la mejor manera y aplicando los conocimientos más avanzados en esta materia. Todos estos aspectos necesarios para tener esa herramienta tan importante, se presentan hoy como el Código Geotécnico de Taludes y Laderas de Costa Rica.

Este Código establece los aspectos de seguridad y acciones de diseño, el alcance de la investigación, los métodos de análisis o diseño de taludes y laderas y los sistemas para la estabilización, protección y auscultación. Todos estos factores se presentan con el objetivo de alcanzar un nivel de seguridad adecuado y razonable para los distintos aspectos sociales, económicos y ambientales que interactúan con los taludes y las laderas.

Este logro se alcanzó gracias a la participación de los especialistas a cargo de la redacción, y los aportes de otros profesionales, entre estos el ingeniero Alvaro Climent, así como también de otros grupos que colaboraron convencidos de la importancia del tema y que se mencionan a continuación con el afán de agradecerles sus aportes. Ellos son el Colegio de Ingenieros Civiles de Costa Rica y el Colegio Federado de Ingenieros y Arquitectos, que brindaron el apoyo económico y logístico necesario para poder concluir el documento. También se agradece el aporte intelectual de la Comisión Nacional de Prevención de Riesgos y Atención de Emergencias y el Laboratorio de Materiales y Modelos Estructurales de la Universidad de Costa Rica.

Para tener rigurosidad técnica y científica cuando se va a proponer un código como el que se presenta aquí, es costumbre de la ACG solicitar una revisión por parte de un consultor de renombre mundial. En este caso, la tarea se le encomendó al ingeniero Manuel García López, profesional colombiano de gran trayectoria en este campo de la geotecnia, quien ha tenido un papel preponderante en el estudio y solución de muchos problemas de inestabilidad de taludes y laderas en su país y en el extranjero. También se contó con los valiosos aportes del ingeniero Juan Diego Bauzá Castelló, profesor y consultor español y el consultor costarricense, ingeniero geólogo Sergio Mora Castro. El Comité y la ACG agradecen los consejos y sugerencias de estos expertos, que permitieron elaborar un documento más sólido desde el punto de vista científico, técnico y práctico La ACG considera importante lograr una continuidad en este tipo de normativa técnicas, incluyendo otros temas de interés para la sociedad costarricense. Es por eso que se ha comprometido a conformar en el futuro un "Código Geotécnico de Costa Rica" y que tanto el Código de Cimentaciones como el Código Geotécnico de Taludes y Laderas de Costa Rica se conviertan en capítulos de este. Por ejemplo, temas de interés como obras de retención, obras subterráneas y cimentación de estructuras especiales van a engrosar la normativa, para lograr obras cada vez más seguras para el bienestar de la sociedad costarricense.

1 Introducción 1.1 Filosofía a. Este documento establece los requisitos mínimos para la evaluación, investigación, análisis o diseño de taludes y laderas en Costa Rica, necesarios para garantizar un nivel adecuado de seguridad, según el objetivo y alcance definidos en los artículos 1.2 y 1.3 respectivamente.

b. Los lineamientos expuestos en esta normativa, representan requisitos mínimos para obtener el desempeño adecuado de taludes y laderas en Costa Rica. Esto no debe limitar al profesional responsable a cumplir solamente con los mínimos establecidos en ella, si lo precisa, podrá utilizar metodologías de análisis y diseño más rigurosas y complementarias, que las estipuladas en este documento.

c. Los requisitos para analizar el desempeño de taludes y laderas incluidos en este documento incluyen la utilización de la metodología de "esfuerzos de trabajo" (ASD por sus siglas en inglés).

1.2 Objetivo El objetivo de este Código es contribuir con la protección de la vida humana, y la reducción de las pérdidas económicas y del impacto ambiental, ocasionados por la falla de taludes y laderas en Costa Rica.

1.3 Alcance Los lineamientos corte o relleno o al análisis de las laderas en su estado natural. Quedan fuera del alcance los casos en donde se presenten movimientos en masa activos de gran magnitud, avalanchas, flujos de detritos, materiales con potencial de licuación, entre otros, que deberán ser analizados como casos especiales y mediante otros tipos de metodologías.

1.4 Premisas generales a. El concepto general de este documento ha sido redactado y revisado por profesionales, expertos en geotecnia, conocedores y practicantes de los criterios y conceptos del análisis y diseño de taludes con apego a los estándares internacionales y los últimos avances en este campo.

b. Durante el proceso de estudio, análisis, diseño y construcción de taludes, debe realizarse un seguimiento y una inspección detallada por parte de un profesional responsable. Esta persona debe garantizar que las modificaciones que se requieran durante la construcción se ejecuten de manera oportuna y verificar que se realice un adecuado control de calidad de todos los procesos.

c. El terreno debe ser estudiado adecuadamente, siguiendo los lineamientos expuestos en el Capítulo 4 de este documento.

d. El talud o ladera deben ser sometidos a la auscultación, vigilancia y mantenimiento según los lineamientos expuestos en el Capítulo 7 de este documento.

e. En caso de que ocurra un deslizamiento de un talud o una ladera, estos deberán ser intervenidos mediante las medidas de emergencia necesarias (incluidas en los artículos 3.2 y 3.3) y realizar las reparaciones pertinentes de acuerdo con los resultados de la inspección, el diagnóstico, la investigación, el análisis y el diseño geotécnico correspondiente, según lo 1.5 Términos y definiciones CCCR: Código de cimentaciones de Costa Rica en su versión más reciente.

CNE: Comisión Nacional de Prevención de Riesgos y Atención de Emergencias CSCR: Código sísmico de Costa Rica en su versión más reciente.

Escombreras: Rellenos constituidos por materiales de desecho provenientes de las industrias mineras, manufactureras, de la construcción u de otras actividades, que se depositan siguiendo un proceso constructivo diseñado por el profesional responsable, de manera que se asegure la estabilidad de los materiales así depositados en el sitio.

Estudio de amenaza sísmica: Forma numérica que caracteriza la probabilidad de excedencia de un sismo de cierta intensidad (o aceleración del terreno) en un determinado sitio, durante un período (donde se contempla la importancia de la obra). Este tipo de estudios puede efectuarse a escala regional o local, y deben contemplar los parámetros de las fuentes sismogénicas y los registros de aquellos eventos sísmicos ocurridos en cada zona fuente y la atenuación del movimiento en el terreno.

Factor de seguridad: Relación de la resistencia al corte disponible (la capacidad) con la resistencia al corte requerida para el equilibrio (la demanda).

IGN: Instituto Geográfico Nacional.

IMN: Instituto Meteorológico Nacional.

Ladera: Cualquier superficie natural inclinada respecto al plano horizontal, formada a través de la historia geológica por procesos de erosión o depositación.

SBO: Sismo básico de operación. Es el sismo que una presa debe ser capaz de resistir presentando daños menores que no comprometan la funcionalidad de la obra. Generalmente se selecciona para un período de retorno de 150 años (50% de probabilidad de excedencia en 50 años), utilizando el resultado de análisis probabilísticos de la amenaza sísmica.

SES: Sismo de evaluación de seguridad. Es el sismo que una presa debe ser capaz de resistir sin la liberación descontrolada del agua del embalse. El SES rige la evaluación de la seguridad y el diseño sísmico de los componentes de una presa, relevantes para la seguridad, que deben continuar funcionando después del sismo. Su período de retorno debe ser seleccionado por un grupo multidisciplinario de profesionales en las áreas de sismología y diseño geotécnico, tomando en cuenta la importancia de la presa, pero nunca debe ser menor al sismo con una probabilidad de excedencia del 10% en 50 años (475 años de período de retorno).

Talud: Cualquier superficie inclinada respecto al plano horizontal, construida por el ser humano (corte o relleno).

Talud temporal: Talud que debe operar de forma segura durante un período corto, generalmente el plazo de construcción de una obra definitiva.

Tránsito bajo: Tránsito promedio diario anual menor que 5000 Tránsito alto: Tránsito promedio diario anual mayor que 15000 2 Criterios de diseño En el desarrollo de este capítulo se presentan los factores de seguridad mínimos, tanto para resistir solicitaciones estáticas como las sísmicas. En el caso de que dichos requisitos no se cumplan, el profesional responsable deberá seleccionar un método o la combinación de varios métodos de estabilización con el fin de probarlos hasta satisfacer los factores de seguridad requeridos.

2.1 Definición del nivel de seguridad a. El nivel de seguridad que requiere un talud o ladera debe definirse tomando en cuenta la amenaza e impacto sobre las vidas humanas y las las pérdidas económicas o ambientales previsibles.

b. El nivel de riesgo contra la pérdida de vidas humanas debe seleccionarse utilizando como guía la Tabla 1.

c. El nivel de riesgo contra daños económicos o ambientales debe seleccionarse utilizando como guía la Tabla 2.

Tabla 1. Nivel de riesgo contra pérdida de vidas humanas (adaptado de GEO, 2011) | Riesgo | Ejemplos | | --- | --- | | Bajo | Área y edificaciones con permanencia eventual de personas: potreros, parques nacionales, áreas de recreo y parques urbanos de baja ocupación, zonas de estacionamiento de automóviles, bodegas de materiales. No se incluyen en esta categoría bodegas donde se almacenen materiales tóxicos o explosivos. Ferrovías o carreteras de tránsito bajo. | | Medio | Área y edificaciones con permanencia limitada de personas: áreas de espera de ocupación pública, como por ejemplo terminales de autobús o tren. Ferrovías o carreteras de tránsito medio. | | Alto | Área y edificaciones con movilización intensa y permanencia de personas: edificios residenciales, urbanizaciones, edificios comerciales, edificios industriales edificios destinados a la educación, hospitales, sistemas de distribución de combustibles, bodegas donde se almacenen materiales tóxicos o explosivos. Ferrovías y carreteras de tránsito alto. | Tabla 2. Nivel de riesgo contra daños económicos y ambientales (adaptado de GEO, 2011) | Riesgo | Ejemplos | | --- | --- | | Bajo | Parques en zonas urbanas, estacionamientos al aire libre, potreros, caminos de tránsito bajo. | | Medio | Carreteras de tránsito moderado, servicios esenciales que se vean interrumpidos por períodos cortos (por ejemplo: agua, electricidad, etc), instalaciones cuya falla podría ocasionar contaminación; viviendas y urbanizaciones. | | Alto | Carreteras de tránsito intenso, ferrovías, servicios esenciales que se vean interrumpidos por períodos prolongados (por ejemplo: agua, electricidad, etc), instalaciones cuya falla podría ocasionar contaminación significativa (por ejemplo: estaciones de servicio de combustible, bodegas donde se almacenen materiales tóxicos, etc), edificios habitacionales y comerciales. | 2.2 Factores de seguridad mínimos para taludes en general a. Para el análisis y diseño de taludes permanentes (i.e. definitivos) por métodos determinísticos, se recomienda utilizar los factores de seguridad mínimos que se muestran en la Tabla 3.

b. Para el análisis de las laderas que serán modificadas durante la ejecución de una obra o que representen una amenaza para obras de infraestructura, se recomienda utilizar los factores de seguridad iguales o mayores a los mínimos que se muestran en la Tabla 3.

c. Para el análisis y diseño de taludes de carácter temporal se recomienda utilizar los factores de seguridad mínimos que se muestran en la Tabla 4.

d. El análisis de taludes permanentes y laderas debe cumplir con los factores de seguridad mínimos tanto en condición estática como seudoestática.

e. Cuando se coloque una estructura en un talud o ladera se deben garantizar además los factores de seguridad para la cimentación, señalados en el Artículo 4.2.6.2 del CCCR.

f. En el caso de muros de retención se deben respetar los lineamientos y factores de seguridad ante capacidad soportante, volcamiento, deslizamiento, estabilidad global, estabilidad interna y deformaciones, según se sugiere en el Artículo 6.3 del CCCR.

g. Cuando la estabilidad y la importancia del talud lo ameriten, se debe hacer una estimación de los desplazamientos por medio de los métodos propuestos en los artículos 5.3.6 (análisis de las deformaciones mediante métodos analíticos) o 5.3.3 (análisis dinámico de las deformaciones mediante métodos numéricos).

Tabla 3. Factores de seguridad para el diseño de taludes permanentes y análisis de laderas | Condición de análisis | Riesgo de daños económicos y ambientales | Riesgo de pérdida de vidas | Bajo | Medio | Alto | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | Estática | Bajo | 1.20 | 1.30 | 1.40 | | | Medio | 1.30 | 1.40 | 1.50 | | | | Alto | 1.40 | 1.50 | 1.50 | | | | Seudoestática: Coeficiente seudoestático según el Artículo 2.5, Tabla 10 | Bajo | >1.00 | >1.00 | 1.05 | | | Medio | >1.00 | 1.05 | 1.10 | | | | Alto | 1.05 | 1.10 | 1.10 | | | | Desembalse rápido: Taludes en embalses con posibilidad de un desembalse rápido | Bajo | 1.10 | 1.15 | 1.20 | | | Medio | 1.15 | 1.20 | 1.30 | | | | Alto | 1.20 | 1.30 | 1.40 | | | Tabla 4. Factores de seguridad para el diseño de taludes temporales

2.3 Factores de seguridad mínimos para taludes de presas pequeñas y diques a. Se definen tres clases diferentes de presas, tomando en cuenta la altura de la presa y el volumen de almacenamiento del embalse. En la Figura 1 se debe verificar que la presa que se diseñará sea de clase III, de no ser así se aplica lo establecido en el inciso h.

b. Los lineamientos expuestos en esta normativa son válidos solamente para presas pequeñas y diques construidos con materiales compactados (rellenos de tierra o enrocados).

c. Por las características de operación de las presas de materiales compactados, se considera inaceptable una falla súbita en uno de sus taludes.

d. Los diques de protección contra inundaciones, deben ser catalogados como clase III para su diseño, independientemente de su altura y volumen de almacenamiento.

e. En la Tabla 5 se detallan los factores de seguridad en condición estática que deben cumplir las presas clase III.

f. En la Tabla 6 se detallan los factores de seguridad en condición seudoestática que deben cumplir las presas clase III.

g. Para el diseño de presas clase III basta con realizar el análisis seudoestático y cuando el profesional responsable del diseño lo considere necesario, verificar las deformaciones por medio de métodos analíticos o métodos numéricos.

h. Cuando no se realice un estudio de amenaza sísmica específico para el diseño de una presa clase III, deben utilizarse como SES los coeficientes seudoestáticos de la Tabla 10 y como SBO los coeficientes seudoestáticos de la Tabla 9.

i. Para el diseño de presas clase I y clase II resulta obligatorio realizar: a) un estudio de amenaza sísmica específico para el proyecto y b) un estudio de las deformaciones del cuerpo de la presa por medio de métodos analíticos o métodos numéricos. Asimismo se deben utilizar los lineamientos diseño de los rellenos de presa.

Tabla 5. Factores de seguridad mínimos para los taludes de las presas clase III en condición estática

Tabla 6. Factores de seguridad mínimos para los taludes de las presas clase III en condición seudoestática | Condición | Embalse | Factor de seguridad | Consideraciones de diseño | | --- | --- | --- | --- | | Durante construcción Utilizar el SBO | Sin embalse | 1,00 | Condiciones a corto plazo | | Condición básica de Operación Utilizar el SBO | Nivel máximo de operación | 1,15 | Condiciones a largo plazo | | Evaluación de seguridad Utilizar el SES | Nivel máximo de operación | 1,05 | Condiciones a largo plazo | 2.4 Valores aceptables de probabilidad de falla a. Como alternativa o complemento de los análisis determinísticos utilizando el concepto del equilibrio límite, se pueden realizar análisis probabilísticos para los taludes (ver el Artículo 5.3.5).

b. Las probabilidades de falla aceptables que se deben cumplir en los taludes se muestran en la Tabla 7.

Tabla 7. Probabilidad de falla aceptable en taludes (adaptado de Santamarina, et al., 1992 en Look, 2007) | Condición | Probabilidad de falla, Pf | | --- | --- | | Inaceptable | > 0,1 (10%) | | Diseño de taludes temporales. La falla del talud no tiene potencial de generar pérdida de vidas humanas. El costo de reparación del talud es bajo (i.e. con respecto al costo total de la obra o al valor de la pérdida) | 0,1 (10%) | | Revisión de taludes carreteros existentes. Revisión de la estabilidad de laderas. | 0,01 a 0,02 (1% a 2%) | | Diseño de taludes nuevos para carreteras. | 0,01 | | La falla del talud tiene poco o ningún potencial de generar pérdida de vidas humanas. El talud puede fallar y causar pérdidas económicas o ambientales menores. El costo de la reparación del talud es menor al costo de disminuir la probabilidad de falla. El uso y ubicación permiten que el talud salga de operación el tiempo necesario para realizar una reparación. | (1%) | | Aceptable para casi cualquier talud. La falla del talud tiene potencial de generar pérdida de vidas humanas. | 0,001 (0,1%) | | Taludes de presas. Aceptable para cualquier tipo de talud. | 0,0001 (0,01%) | 2.5 Coeficientes seudoestáticos para aplicar durante el análisis de taludes a. Para la selección del coeficiente seudoestático se utiliza la misma zonificación sísmica descrita en el CSCR, que divide al país en tres zonas sísmicas, con intensidad sísmica ascendente, denominadas zonas II, III y IV. Las zonas sísmicas se presentan mediante la división política y administrativa, según se detalla en el CSCR.

b. Para la selección del coeficiente seudoestático es utilizada la clasificación de sitios de cimentación detallada en el CSCR. Dicha clasificación utiliza las propiedades geotécnicas indicadas en la Tabla 8, calculadas como promedio en los 30 m superficiales, para especificar los tipos de sitio definidos a continuación:

· Sitio tipo S1: Perfil de roca o suelo rígido o denso con propiedades semejantes a la roca.

· Sitio tipo S2: Un perfil de suelo con condiciones predominantes de medianamente denso a denso o de medianamente rígido a rígido.

· Sitio tipo S3: Un perfil de suelo con 6 a 12 m de arcilla de consistencia de suave a medianamente rígida o con más de 6 m de suelos no cohesivos de poca a media densidad.

· Sitio tipo S4: Un perfil de suelo que contenga un estrato de más de 12 m de arcilla suave.

c. En ausencia de estudios de amplificación dinámica, se deben utilizar los coeficientes seudoestáticos horizontales presentados en la Tabla 9, para el análisis sísmico de taludes temporales utilizando el método de equilibrio límite. Estos coeficientes son representativos de un sismo con una probabilidad de excedencia anual del 50% en 50 años (período de retorno de 150 años).

d. En ausencia de estudios de amplificación dinámica, se deben utilizar los coeficientes seudoestáticos horizontales presentados en la Tabla 10, para el análisis sísmico de taludes permanentes utilizando el método de equilibrio límite.

Estos coeficientes son representativos de un sismo con una probabilidad de excedencia anual del 10% en 50 años (período de retorno de 475 años).

e. Para el análisis sísmico de presas clase III y diques, cuando se utilice el método de equilibrio límite, y donde no se cuente con un estudio de amenaza sísmica específico para el proyecto, se deben utilizar los coeficientes seudoestáticos horizontales de la Tabla 9 como sismo SBO y los coeficientes seudoestáticos horizontales de la Tabla 10 como sismo SES.

f. Cuando se utilice el método de equilibrio límite para realizar el análisis sísmico de un talud, puede utilizarse un coeficiente seudoestático vertical. La selección del valor del coeficiente quedará a criterio del profesional responsable del análisis.

Tabla 8. Tipos de sitio y sus parámetros geotécnicos (propiedades promedio de los 30 m superficiales) (CSCR, 2010)

Tabla 9. Coeficientes seudoestáticos horizontales con un período de retorno de 150 años

Tabla 10. Coeficientes seudoestáticos horizontales con un periodo de retorno de 475 años (Laporte, 2005)

2.6 Definición de condiciones de análisis especial Las consideraciones sobre nivel de seguridad, factores de seguridad, probabilidades de falla y coeficientes seudoestáticos ya se han identificado inestabilidades, tales como movimientos de masa activos, flujos de detritos, entre otros. Queda a criterio del profesional responsable realizar lo necesario a nivel de análisis y diseño para mitigar los efectos del movimiento de masa ocurrido o propenso a ocurrir, para prevenir la pérdida de vidas humanas o daños materiales.

3 Evaluación preliminar del talud En este capítulo se presentan los requisitos mínimos para realizar la evaluación preliminar de un talud. Esta evaluación debe efectuarse antes de iniciar la ejecución de las investigaciones geotécnicas y es imprescindible pues se requiere tener conocimiento de las condiciones generales. En el Apéndice 1 se presenta el formulario que debe ser utilizado a la hora de realizar la evaluación.

3.1 Estudio de la información disponible a. Se debe realizar una investigación exhaustiva de los datos históricos disponibles relativos a la topografía, geomorfología geología, datos geotécnicos, información meteorológica, sismicidad e infraestructura del sitio en estudio. Esta investigación debe incluir mapas regionales y locales de las amenazas naturales y riesgo, de susceptibilidad al deslizamiento, mapas geológicos y geotécnicos, fotografías aéreas e imágenes satelitales cuando estén disponibles.

b. Se recomienda consultar al menos, las fuentes de información siguientes:

i. Hojas cartográficas escala 1:50 000 editadas por el IGN.

ii. Hojas cartográficas de la Gran Área Metropolitana (GAM), escala 1:10 000 del IGN. Disponibles en el sitio web:http://201.194.102.38/cartografia/PRUGAM_Cartografia_Cantones.htm iii. Mapas de amenazas naturales de la CNE. Disponibles en el sitio web: http://www.cne.go.cr/.

iv. Mapas de amenazas naturales ejecutados por las municipalidades como parte de sus planes reguladores cuando existan.

v. Map geológico de Costa Rica escala 1:400 000 (Denyer y Alvarado, 2007).

vi. Mapas geológicos escala 1:50 000 u otras escalas, publicados por la Revista Geológica de América Central. Disponibles en el sitio web: http://www.geologia.ucr.ac.cr/.

vii. Mapas de tipos de suelo y zonificación geotécnica de la Gran Área Metropolitana incluidos en el CCCR.

viii. Mapa de aceleraciones pico efectivas (Tr = 500 años) incluidos en el CSCR.

ix. Mapa de intensidad máxima en la escala de Mercalli Modificada de Costa Rica, incluido en el Atlas Tectónico de Costa Rica (Denyer et al., 2003).

x. Proyecto Resis II: Evaluación de la amenaza sísmica en Costa Rica (Climent et. al, 2008). Disponible en el sitio web:ftp://ns.lanamme.ucr.ac.cr/estructural/RESIS-II_Project/Evaluación de la amenaza sísmica en CR - 2008.PDF xi. Atlas climatológico interactivo del IMN. Disponible en el sitio web: http://www.imn.ac.cr/.

xii. Aplicar metodologías y aprovechar la información resultante de la interpretación de sensores remotos (satelitales, radar, fotografías aéreas, LiDAR, entre otras).

xiii. Consultar la información disponible en las tesis de grado, tesis de postgrado y trabajos finales de graduación, realizadas en las universidades del país.

xiv. Cualquier otra información relacionada.

3.2 Inspección inicial de las condiciones del talud o ladera a. El profesional responsable a cargo de la investigación debe realizar una visita para la inspección del sitio donde se ubica el talud o la ladera objeto de la evaluación de estabilidad. Es deseable ingresar a la corona y al pie del talud o ladera.

b. A partir de la visita de inspección, se debe evaluar la necesidad de aplicar medidas de emergencia para proteger la vida y propiedades que se encuentren en una situación de riesgo inminente.

c. Las medidas de emergencia pueden incluir:

i. Notificar a las autoridades competentes sobre el problema.

ii. La evacuación y prohibición de entrada a edificaciones o al terreno en donde se ubica la zona inestable mientras el proceso esté activo.

iii. La interrupción del flujo vehicular y peatonal en caminos y carreteras.

iv. La construcción de drenajes superficiales o profundos y el manejo de aguas en general.

v. La disminución o eliminación de sobrecargas.

vi. La reconformación del talud.

vii. La colocación de material al pie del talud (disminuyendo su altura o aumentando la resistencia pasiva).

viii. La protección superficial del talud (mediante el uso de plástico, geomantas, etc).

ix. El sellado de grietas superficiales.

x. Cualquier otra medida que el profesional responsable considere apropiada.

d. En esta etapa también se podrá solicitar una investigación de tipo preliminar si el profesional responsable lo considera necesario y con el objetivo de realizar un análisis rápido del problema de estabilidad (ver el Artículo 4.2). También se puede considerar la colocación de instrumentación (puntos de control topográfico como mínimo) que sirva como insumo para la verificación de la efectividad de las medidas de emergencia que se especificaron anteriormente (ver el Capítulo 7).

e. Como producto de la visita se debe emitir un informe de inspección preliminar para el cual se debe utilizar la plantilla del Apéndice 1, que contenga como mínimo la siguiente información:

i. Identificación del profesional responsable de la inspección.

ii. Fecha de la visita.

iii. Ubicación del sitio de estudio.

iv. Uso del suelo.

v. Tipo de vegetación.

vi. Condición del drenaje.

vii. Tipo de ladera natural, talud en corte, talud en relleno, dique, presas.

viii. Geometría del talud o ladera ix. Existencia de estructuras de retención (con indicación de su estado actual).

x. Condición de saturación del terreno.

xi. Tipo de suelo o roca encontrado en el sitio (se debe indicar si se encontraron materiales de relleno).

xii. Indicios de desplazamientos o deformaciones en el terreno (fallas, cicatrices de deslizamientos, perdidas de linealidad, entre otros).

xiii. Grado de peligrosidad de un movimiento.

xiv. Tipología de posibles movimientos.

xv. Indicación de los elementos expuestos (vidas o propiedades).

xvi. Tipo probable de superficie de deslizamiento u otro mecanismo de inestabilidad y sus posibles consecuencias.

xvii. Cualquier otra información obtenida de los pobladores de la zona (tales como represamientos en los cauces fluviales, reptación, entre otros).

f. El informe de inspección debe complementarse obligatoriamente con un registro fotográfico y un croquis que indique los aspectos y puntos más relevantes observados. De ser posible, también se debe indicar el diagnóstico preliminar de las causas de la inestabilidad, si se han producido episodios previos o si son posibles e inminentes.

g. En esta etapa es conveniente ubicarse en un sitio alejado y elevado en el momento que la luz del sol sea más conveniente (amanecer o el ocaso, para aprovechar la proyección de las sombras sobre el relieve y aumentar el contraste de la luz solar disponible. De ser posible, realizar un sobrevuelo o utilizar imágenes remotas para observar el área inestable desde una posición superior, con el fin de tener una vista general del talud o ladera bajo análisis y además para establecer la posición de los accesos, magnitud y extensión del problema, las tendencias del movimiento, corrientes de agua, entre otros.

h. Se debe verificar que la zona estudiada no se encuentre dentro de una zona de deslizamiento mayor.

3.3 Estudios complementarios 3.3.1 Levantamiento topográfico a. Cuando la magnitud o importancia del talud lo amerite y sobre todo si ya existen evidencias de movimiento activo, se debe ejecutar un levantamiento topográfico siguiendo los lineamientos dados por el profesional responsable, quien debe indicar el perímetro poligonal, sectores y puntos de interés específicos del levantamiento.

b. El levantamiento debe realizarse a una escala compatible con las dimensiones del talud y del problema de estabilidad analizado en el estudio. . La superficie a levantar debe superar en área inestable por un margen que decidirá el profesional, tanto al pie como en la corona y los límites laterales. De ser posible, una distancia equivalente a una vez y media la altura y el ancho del talud o ladera inestable.

c. Debe incluir claramente como mínimo lo siguiente:

i. El área del talud a evaluar o el área y el contorno del material deslizado (en caso de analizarse un talud ya deslizado).

ii. En caso de existir, debe detallarse la localización de las investigaciones geológico-geotécnicas realizadas.

iii. Perfiles relevantes para el análisis que abarquen una longitud suficiente, incluso fuera del área inestable o potencialmente inestable.

iv. La ubicación de construcciones existentes, caminos públicos, tuberías de agua potable, alcantarillas, obras de manejo de agua como cunetas, contracunetas, bajadas de agua, cursos de agua, puntos de afloramientos de agua subterránea(i.e. manantiales, nacientes, áreas de recarga), afloramientos rocosos, grietas, hendiduras en el terreno, subsidencias, áreas pobladas, actividades productivas, etc.

v. Cualquier otra información de interés que el profesional responsable considere relevante.

3.3.2 Reconocimiento geológico preliminar a. Cuando la magnitud o importancia del talud lo amerite se debe realizar un reconocimiento geológico preliminar, realizado por un profesional calificado para tal efecto.

b. Dicho reconocimiento debe contemplar los aspectos geológicos básicos (i.e. litologías y su condición), detalles geoestructurales (i.e. pliegues, discontinuidades -estratificación, diaclasas, fracturas, fallas-), geomorfológicos e hidrogeológicos de carácter regional y local, obtenidos de la revisión de la información disponible (ver el Artículo 3.1).

c. La información obtenida por medio de este reconocimiento, se debe utilizar como un insumo adicional para planificar las investigaciones geotécnicas de campo y laboratorio detalladas en el Capítulo 4. Además debe servir como guía para modelar el comportamiento del talud o de la ladera al ser sometido a factores que inducen la falla como los sismos; o bien ante la presencia de rocas blandas o formaciones débiles, acuíferos colgados, entre otros.

4 Investigaciones geotécnicas A continuación se definen los requisitos mínimos que deben cumplir las investigaciones geotécnicas realizadas para construir el modelo geotécnico de un talud o ladera. Se debe utilizar como insumo el reconocimiento geológico preliminar definido en el Artículo 3.3.2, con el fin optimizar la investigación de campo y laboratorio, para asignar las propiedades físicas y mecánicas de los materiales. Los estudios geológicos podrán ampliarse durante esta etapa si el profesional responsable encargado de la investigación lo considera necesario.

4.1 Generalidades a. El objetivo principal de las investigaciones geotécnicas debe ser obtener la información necesaria para ejecutar un modelo geotécnico acorde con la etapa en la que se encuentre el caso analizado (e.g. situación de emergencia, proyecto o mantenimiento de una obra, etc.).

b. Los estudios geotécnicos se subdividen según su etapa de ejecución, en preliminares y detallados.

c. La planificación de la investigación debe hacerse siguiendo los lineamientos expuestos en los artículos 4.1.1, 4.1.2 y 4.1.3.

4.1.1 Planificación de la investigación a. La planificación de las investigaciones de campo y laboratorio que se ejecuten como parte del estudio de estabilidad (o inestabilidad) de un talud o ladera, debe hacerla el profesional responsable.

b. La planificación debe incluir la definición del tipo, la cantidad, la localización y la profundidad de las investigaciones de campo que se ejecuten durante la campaña de investigación. Además, debe incluir la definición del tipo, la cantidad, la localización y la profundidad de las muestras que se utilicen posteriormente en la campaña de estudio de laboratorio.

Igualmente definirá la instrumentación que, en su caso, se disponga para auscultación y vigilancia.

c. El tipo de investigación que se realice, debe considerar si el material del talud analizado se debe modelar como un medio continuo (talud en suelo, roca masiva o roca intensamente fracturada) o como un medio discontinuo (talud en roca que presenta uno, dos o hasta tres familias de discontinuidades). Dicho modelo o premisa puede ser modificado o rectificado con base en los resultados obtenidos en la investigación.

d. Se debe aplicar el tipo de prospección o ensayo que suministre información confiable para la elaboración del modelo geotécnico con el que se realizarán los análisis.

e. La investigación de campo se debe realizar según lo dispuesto en el Artículo 4.3, mientras que las investigaciones de laboratorio deben ser ejecutadas tomando en cuenta el Artículo 4.4.

4.1.2 Alcance de la investigación a. El alcance de la investigación lo debe determinar el profesional responsable con base en el nivel de riesgo, es decir la probabilidad de pérdida de vidas humanas, pérdidas económicas o ambientales, según lo definido en el Artículo 2.1 y la complejidad geotécnica del sitio estudiado de acuerdo con lo establecido en el Artículo 4.1.3. En la Tabla 11 se muestra la clasificación del nivel de investigación en taludes y laderas tomando como base el nivel de riesgo y la complejidad geotécnica.

Tabla 11. Clasificación del nivel de investigación mínima en taludes y laderas

b. Los requisitos que deben cumplir la investigación en el talud o ladera definidos en la Tabla 11, son los siguientes:

i. Clase A: Reconocimiento visual del sitio con base en la plantilla propuesta en el Apéndice 1, que debe ser llevado a cabo por profesionales especialistas y suficientemente capacitados, que recorran la zona más allá de los límites del área visiblemente problemática. Evaluación de la geología y topografía circundante, como complemento del reconocimiento previo que se establece en el Capítulo 3. Observación del suelo y la roca que conforman el sitio, a partir de afloramientos o trincheras, con el fin de describir el estado en que se encuentran. Determinación de la influencia del agua (superficial y subterránea) en el comportamiento del talud.

ii. Clase B: Además del alcance que se establece en la Clase A, se debe complementar la caracterización de los materiales presentes en la zona de estudio. Se deberá incluir una planta y un perfil topográfico en donde se señalen todos los puntos y perfiles de la prospección geotécnica. La distribución en planta de las prospecciones requeridas (tipo, cantidad y ubicación) se deberá adecuar a la superficie y extensión de las obras, a la complejidad del terreno (detectada o verificada durante las investigaciones preliminares) y a las particularidades del proyecto o situación.

Se recomienda que al menos la mitad de las perforaciones o cualquiera de las prospecciones realizadas alcancen la profundidad de una vez y media la altura del talud o ladera analizada, o bien hasta que a criterio del profesional responsable se alcancen materiales con condiciones geológico-geotécnicas aceptables y que garanticen la definición de un modelo geotécnico confiable para el análisis de estabilidad.

La investigación geotécnica será efectuada mediante la utilización de uno o varios de los métodos para realizar la prospección de los suelos, rocas y aguas subterráneas, indicados en las tablas 14, 15 y 16 del Apéndice 2. Los mismos deberán incluir una cantidad mínima de perforaciones o trincheras, con ensayos in situ, con extracción de muestras para pruebas índice de laboratorio que permitan definir la estratigrafía del subsuelo y estimar sus propiedades geotécnicas. Se considera conveniente un mínimo de tres perforaciones.

iii. Clase C: Además de los alcances que se establecen en las clases A y B, es requisito determinar propiedades mecánicas de los suelos y de las rocas, mediante ensayos de campo y laboratorio que permitan su caracterización geomecánica (por ej., resistencia, deformabilidad, permeabilidad), según los procedimientos de ensayo establecidos en los iv. Apéndice 2 y 3.

4.1.3 Definición de la complejidad geotécnica del talud La complejidad geotécnica describe el grado de dificultad con la que se puede obtener un modelo geotécnico apropiado para realizar el análisis de un talud. La complejidad geotécnica del talud debe ser definida por el profesional responsable designado para realizar el estudio con base en las siguientes definiciones:

a. Complejidad geotécnica baja: Corresponde a un sitio donde se puede definir un modelo geotécnico homogéneo, sin presencia de agua aflorando en el terreno, sin presencia de estructuras geológicas importantes, en donde los afloramientos de roca se presentan sanos, masivos o muy poco fracturados y meteorizados.

b. Complejidad geotécnica media: Corresponde a un sitio en donde el modelo geotécnico es variable según la orientación del perfil analizado. Está compuesto por materiales heterogéneos, con presencia de agua aflorando en el terreno, con presencia de estructuras geológicas que inducen a la debilidad de la litología (e.g. fracturas, pliegues, diaclasas, alteración hidrotermal, etc.).

c. Complejidad geotécnica alta: Corresponde a un sitio en donde el modelo geotécnico es muy variable según la orientación del perfil analizado, con materiales heterogéneos, con agua aflorando en el terreno y con estructuras geológicas (fracturas, diaclasas, pliegues) y alteración hidrotermal. Las rocas, en sus afloramientos, se presentan muy fracturados, alterados y meteorizados.

d. Complejidad geotécnica especial: Cuando exista una complejidad geotécnica que corresponde según lo expuesto en el Artículo 1.3, es decir, con sitios en donde se presentan movimientos en masa activos de gran magnitud, avalanchas o flujos de detritos o materiales con potencial de licuación, entre otros, el profesional responsable deberá definir el alcance de la investigación.

4.2 Investigación geotécnica según la etapa del proyecto Un proyecto, según su envergadura, tiene varias etapas de ejecución. Cada una incorpora una investigación geotécnica mínima que debe ser completada. Se reconocen tres categorías de investigación geotécnica asociadas a las diferentes etapas de un proyecto:

Estudios geotécnicos preliminares Estudios geotécnicos detallados Estudios geotécnicos de comprobación durante la ejecución de la obra.

Los estudios geotécnicos en todas las etapas de un proyecto deben estar orientados a cumplir con los criterios básicos especificados en los artículos 4.1.1, 4.1.2 y 4.1.3. La descripción de cada uno de los tipos de investigación geotécnica, según la etapa del proyecto, se detalla a continuación:

a. Estudios geotécnicos preliminares: Investigaciones de reconocimiento o viabilidad técnica, cuya intención principal es brindar un conocimiento previo del sitio antes de realizar los estudios detallados para el diseño final de los taludes o de las obras de estabilización. Deben orientarse a verificar que no existen problemas geotécnicos mayores, fácilmente detectables, que comprometan la seguridad del proyecto. Se incluyen en esta categoría, los estudios geotécnicos solicitados como parte de la realización de medidas de emergencia, y que se rcon el fin de ejecutar un diseño geotécnico básico de obras destinadas a disminuir el nivel de riesgo sobre un talud.

b. Estudios geotécnicos detallados: Estudios que deben generar y aportar la información suficiente para concebir un modelo geotécnico que permita realizar el diseño final de los taludes o de las obras de estabilización. Su propósito es minimizar las incertidumbres del modelo geotécnico establecido durante las etapas iniciales del proyecto. Como base de los estudios geológicos/geotécnicos detallados, se debe utilizar la información generada durante la etapa de estudios preliminares (resultados de las investigaciones e instrumentación colocada durante dicha etapa).

c. Estudios geotécnicos de comprobación durante la ejecución de la obra: Si el profesional responsable lo considera necesario, se podrán ejecutar estudios geotécnicos de comprobación durante la etapa de realización de las obras de estabilización o de construcción del talud. Estos estudios tienen como fin principal, validar las premisas y las recomendaciones de diseño, o en su defecto, realizar cambios al diseño oportunamente durante la construcción de acuerdo con las evidencias observadas durante el proceso.

4.3 Investigación de campo a. La investigación de campo debe cumplir con el objetivo de minimizar la incertidumbre del modelo geotécnico con el que se realizan los análisis de estabilidad del talud o ladera.

b. Las investigaciones de campo se pueden dividir de las siguientes categorías:

Métodos de investigación directos: se incluyen las perforaciones de investigación así como los ensayos de campo y laboratorio.

Métodos de investigación indirectos: prospecciones geofísicas.

c. Las perforaciones o sondeos de investigación se deben realizar con carácter obligatorio y tienen como objetivo definir entre otros el perfil estratigráfico, la posición del nivel freático (si existiera) y para recuperar muestras representativas de los diferentes estratos. El método de perforación, la cantidad y profundidad de las prospecciones dependen del tipo de material y de las dimensiones del talud en estudio. Conviene que los sondeos se realicen con la recuperación de muestras, preferiblemente inalteradas y, de ser posible, con perforación en seco, al menos en las cercanías de las posibles superficies de deslizamiento. La definición del diámetro de la perforación podría tomar en cuenta, además, la posibilidad de instalar, posteriormente, instrumentación de vigilancia y auscultación (e.g. piezómetros, inclinómentros, etc.)

d. Los ensayos de campo tienen como objetivo determinar los parámetros de resistencia y deformabilidad del terreno. Los estándares más utilizados para llevar a cabo los ensayos de campo en suelos, son los definidos en las normas ASTM, mientras que en rocas, se aplican tanto estas normas como los métodos sugeridos por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas. En el e. Apéndice 2 puede encontrarse el detalle de las normas y métodos sugeridos para los ensayos de campo usualmente utilizados durante la investigación geotécnica de taludes.

f. Los métodos de investigación geofísica constituyen un apoyo a los métodos directos para la definición del modelo geotécnico, pero bajo ninguna circunstancia los sustituyen. Los estándares para llevar a cabo los métodos de investigación geofísica también están definidos en las normas ASTM. En el g. Apéndice 2 se detallan las normas sugerids para la investigación geofísica en los taludes.

4.4 Investigación de laboratorio a. El objetivo de los ensayos de laboratorio es el de caracterizar desde el punto de vista físico y mecánico, los materiales que conforma el terreno de un talud o ladera.

b. Las muestras seleccionadas para realizar los ensayos de laboratorio deben ser representativas de las unidades geológicas definidas en el modelo geológico-geotécnico. Se debe prestar atención especial a la superficie de falla o a la unidad que tiene mayor probabilidad de generar una superficie de ruptura, o que posee una superficie o tendencia preferencial favorable a una ruptura potencial.

c. Con el fin de realizar el muestreo de forma representativa, se debe identificar si los materiales presentes en la zona de estudio poseen algún tipo de anisotropía en sus propiedades de resistencia, deformabilidad o de sus condiciones geológicas particulares, como por ejemplo fallas, diaclasas, zonas alteración hidrotermal, flujo hidrodinámico, entre otras.

d. Las muestras recolectadas deben ser empacadas y manipuladas adecuadamente, con el fin de preservar las condiciones del terreno natural que se está estudiando (ASTM D4220). Se debe evitar que las muestras se contaminen de materiales diferentes al que se desea ensayar o que cambien su condición de humedad natural.

e. Los ensayos se pueden realizar con muestras alteradas o con muestras inalteradas, pero por medio de un procedimiento adecuado que refleje las condiciones del terreno y del tipo de falla posible para el talud en cuestión.

f. Las muestras alteradas son aquellas que han sido sometidas a la destrucción parcial o total de la estructura original y humedad con las que se encontraba en el terreno. Para su recolección, resulta suficiente el uso de piquetas, palas, muestreadores mecánicos, perforaciones con auger o perforaciones a percusión. Se deben utilizar únicamente en la ejecución de ensayos de caracterización del terreno.

g. Las muestras inalteradas son las que buscan preservar la estructura y humedad originales del terreno. En suelos son recolectadas idealmente mediante bloques, o en su defecto por medio de muestreadores especiales tipo pared delgada (ASTM D1587) o similares. En el Apéndice 3 pueden encontrarse los ensayos de laboratorio usualmente utilizados durante la investigación geotécnica de taludes. Estas muestras deberán conservarse en un almacén adecuado durante un plazo suficiente, para permitir la realización de nuevos ensayos o verificaciones hasta la finalización del proyecto, obra, o el plazo que la actuación requiera.

5 Análisis de Taludes y Laderas Una vez definida la geometría del talud y el modelo geotécnico, el profesional responsable debe seleccionar la metodología de análisis que mejor se adapte a las condiciones de falla esperadas en el talud. En este capítulo se presenta una lista de los procesos de falla característicos, que pueden ocurrir en taludes o laderas conformados tanto en suelos como en rocas.

5.1 Identificación y caracterización del proceso de inestabilidad a. Con base en la investigación, el profesional responsable debe determinar si existe una superficie de ruptura que pudiese afectar al talud, la cual debe ser incluida dentro del modelo geotécnico para el análisis de la estabilidad.

b. De no existir una superficie de ruptura previa o potencial, el profesional responsable debe definir cuáles son los mecanismos de falla posibles para el talud. A continuación se presenta una guía que ilustra los diferentes procesos de inestabilidad que pueden afectar a los taludes y laderas.

5.1.1 Procesos de inestabilidad en suelos a. Falla por resistencia al corte: Involucra el desplazamiento relativo de una porción del talud con respecto a la masa adyacente. Convencionalmente, con el fin de realizar los análisis de estabilidad, se supone que la falla se produce a lo largo de una superficie discreta, aun y cuando el movimiento se pueda presentar en una zona o estrato de espesor considerable. Los tipos de falla por resistencia al corte son: (a) Falla rotacional, (b) Falla traslacional y (c) Falla compuesta.

b. Deformación excesiva: La deformación en un talud se considera excesiva cuando compromete la condición de servicio de la obra. Las deformaciones en un talud se pueden presentar por el fenómeno de consolidación en rellenos cohesivos, por rotura de granos en rellenos granulares de gran altura, cuando sucede un sismo, por reptación (ver apartado 5.1.1 f), entre otros.

c. Licuación: La licuación consiste en la reducción significativa de la resistencia al corte y la rigidez del suelo, inducida por el incremento en la presión hidrostática en los poros, a causa de una vibración, usualmente causada por un sismo (cargas cíclicas). La licuación se presenta en suelos no cohesivos (gravas sueltas, arenas sueltas y limos con finos de baja plasticidad), saturados. Su estudio se encuentra fuera del alcance de este documento y, para mayor detalle, consultar el CCCR.

d. Erosión: Los procesos de erosión (e,g, laminar o concentrada -i.e. surcos, cárcavas-) suceden cuando el gradiente hidráulico inducido por el agua en la superficie del talud es mayor al mínimo para que se inicie el movimiento de las partículas de suelo.

e. Tubificación: También conocida como erosión interna, se produce cuando el gradiente hidráulico, inducido por el tránsito del agua dentro del cuerpo del talud o de un relleno, es mayor al mínimo para que se inicie el movimiento de las partículas de suelo.

f. Reptación: Consiste en movimientos de muy lentos a extremadamente lentos del suelo subsuperficial, sin que se desarrolle una superficie de falla definida. En ocasiones, la reptación puede preceder a movimientos más rápidos como por ejemplo los flujos o deslizamientos (Suárez, 1998). Este proceso de inestabilidad puede provocar problemas de deformación acumulada y eventualmente excesiva.

5.1.2 Procesos de inestabilidad en roca a. Falla por resistencia al corte: Involucra el desplazamiento relativo de una porción del talud con respecto a la masa adyacente. Con el fin de realizar los análisis de estabilidad, convencionalmente se asume que la falla se produce a lo largo de una superficie discreta, aun cuando el movimiento se pueda presentar en una zona o estrato de espesor considerable. Los tipos de falla por resistencia al corte en las rocas son:

i. En roca muy fracturada (más de cuatro familias de discontinuidades): falla rotacional, falla traslacional o falla compuesta.

ii. En roca fracturada (de una a tres familias de discontinuidades): falla en cuña o falla planar. b. Volcamiento y caída de bloques: Proceso en el cual una masa rocosa se desprende de un talud o ladera con pendiente empinada, generalmente sin que ocurra un desplazamiento al corte, descendiendo la masa principalmente a través del aire en caída libre, rebotando o rodando.

c. Mecanismo compuesto: Proceso en el que se presenta una capa de material menos competente, intercalado con rocas de mayor calidad. Eventualmente se produce en el material de menor calidad, una falla por resistencia al corte que a su vez pueden provocar la inclinación, volcamiento o caída de bloques.

5.2 Definición del modelo geotécnico a. Con base en la investigación desarrollada según los lineamentos sitio de emplazamiento del talud o de la ladera.

b. El modelo geotécnico para el análisis de estabilidad del talud debe incluir al menos lo siguiente:

i. La estratigrafía del subsuelo.

ii. La profundidad (o la posición) del nivel freático y sus variaciones temporales.

iii. La posición de la superficie de ruptura (en caso de analizarse un talud o ladera que presente evidencias de deslizamiento o donde ya se ha producido una falla).

iv. Las propiedades físico - mecánicas de los diferentes tipos de materiales encontrados. Su determinación debe contemplar las condiciones del régimen de presión intersticial y su relación con los parámetros de resistencia al corte, es decir en condiciones drenadas (largo plazo), condiciones de drenaje parcial (plazo intermedio) y condiciones no drenadas (corto plazo) según corresponda.

v. Los efectos recíprocos entre el terreno y las medidas de estabilización propuestas.

c. El modelo geotécnico para el análisis o diseño del talud, debe definir el criterio de ruptura que mejor se ajuste a las propiedades físico-mecánicas obtenidas de los ensayos de resistencia realizados en el campo y laboratorio.

d. Los criterios de ruptura comúnmente utilizados en el análisis de la estabilidad de taludes en suelos son los siguientes: i) Mohr-Coulomb, ii) Cam Clay, iii) Hiperbólico y iv) Hardening Soil, entre otros. Es responsabilidad del profesional responsable seleccionar el criterio de ruptura que mejor se ajuste a las características del suelo y del terreno analizado, con base en las investigaciones geológicas y geotécnicas ejecutadas.

e. Para el caso de taludes rocosos se pueden utilizar los siguientes criterios de ruptura para la roca intacta: i) Hoek-Brown, ii) Mohr-Coulomb, iii) Bieniawski, iv) Fairhurst, v) Hobb, vi) Bodonyi vii) Franklin, viii) Ramamurthy, ix) Johnston, x) Sheorey, xi) Yoshida, xii) Von Mises, xiii) Tresca, xvi) Lade modificado, xv) Weibols-Cook modificado y xvi) Drucker-Prager, xvii) Griffith, entre otros. Por otra parte, los criterios de ruptura utilizados para calcular la resistencia de las discontinuidades del macizo rocoso son: i) Mohr-Coulomb, ii) Barton-Bandis y iii) Hoek y Brown. En la Tabla 12 se muestra una guía del uso de los criterios de ruptura utilizados para analizar la estabilidad en macizos rocosos y los datos necesarios para su aplicación.

Tabla 12. Criterios de ruptura en macizos rocosos y datos necesarios para su aplicación (adaptado de González et. al., 2002) | Características del macizo rocoso | Ruptura a lo largo de planos de discontinuidad | Ruptura a través de la roca intacta | | --- | --- | --- | | Macizo rocoso masivo sin discontinuidades | No es posible | Hoek-Brown (mi para roca intacta y s = 1) Mohr-Coulomb (c y _ para la roca intacta) | | Macizo rocoso con una o dos familias de discontinuidades | Mohr-Coulomb (c y _ para la discontinuidad) Barton-Bandis (JCS, JRC y _r para la discontinuidad) | Hoek-Brown (mi para roca intacta y s = 1) Mohr-Coulomb (c y __para la roca intacta) | | Macizo rocoso con tres o más familias de discontinuidades | Hoek-Brown (GSI, m, s y a para el macizo rocoso) Mohr-Coulomb (c y l para el macizo rocoso) | No es posible | La definición del modelo geotécnico, el conocimiento de las condiciones del terreno y el control de calidad de los trabajos son más importantes que la precisión de los métodos de análisis a utilizar.

5.3 Métodos de análisis Con base en la identificación de los procesos de inestabilidad que pueden llegar a afectar un talud, el profesional responsable encargado del estudio debe seleccionar el método de análisis que considere más adecuado para estimar su grado de seguridad. A continuación se presenta como guía una breve descripción de los métodos para estimar el desempeño de los taludes y laderas.

En la medida de lo posible se deberán aplicar los métodos sencillos más intuitivos y posteriormente contrastarlos con otros métodos más sofisticados. La utilización de métodos numéricos más complejos, no necesariamente significa que se obtendrán mejores resultados.

5.3.1 Método de equilibrio límite en dos dimensiones Los métodos de equilibrio límite en dos dimensiones se utilizan en la práctica geotécnica para investigar la estabilidad de una masa de suelo o roca muy fracturada (fallas de tipo rotacional, traslacional o compuesta), o en macizos rocosos poco fracturados que generalmente presenten fallas de tipo planar. Estos métodos son especialmente útiles para analizar la estabilidad de masas que tienden a moverse por influencia de la gravedad. Consisten en la comparación de las fuerzas, momentos, o tensiones que tienden a causar inestabilidad de la masa, y aquellos que aportan resistencia.

Se analizan las secciones representativas en dos dimensiones y se asumen condiciones de deformación plana. Estos métodos consideran que la resistencia al corte de los materiales a lo largo de la superficie potencial de falla, se rige por un criterio de ruptura lineal o no lineal entre la resistencia al corte y el esfuerzo normal en la superficie de falla.

El análisis se realiza por medio del uso de un diagrama de cuerpo libre del terreno, acotado inferiormente por una superficie supuesta o conocida de deslizamiento (superficie de falla potencial de deslizamiento), y en la parte superior por la superficie del terreno. Las condiciones para el equilibrio estático de la masa del suelo se utilizan para calcular un factor de seguridad con respecto a la resistencia al corte del terreno.

El análisis de equilibrio límite en dos dimensiones, asume que el factor de seguridad es el mismo a lo largo de toda la superficie de deslizamiento. Un valor del factor de seguridad superior a 1,0 indica que la capacidad excede la demanda y que el talud es estable con respecto a la superficie de falla analizada. Un valor de factor de seguridad menor a 1,0 indica que el talud es inestable.

El método más común para el análisis de equilibrio límite es el de las dovelas, donde el terreno, por encima de la superficie potencial de deslizamiento, se divide en rebanadas verticales con el propósito de simplificar el análisis. Se han desarrollado varias metodologías que utilizan como base el método de las dovelas, las cuales pueden resultar en diferentes valores de factor de seguridad debido a que: (a) emplean supuestos diferentes para que el problema sea determinado estáticamente, y (b) algunas de las metodologías no satisfacen todas las condiciones de equilibrio. Entre ellas se incluyen los métodos de Bishop, Janbu, Spencer, Morgensten & Price, Love & Karafiath, Sarma, entre otros.

5.3.2 Método de equilibrio límite en tres dimensiones Este método considera la geometría de la superficie de falla en tres dimensiones. Al igual que el método de equilibrio límite en dos dimensiones, se trata de resolver el problema de la estabilidad mediante supuestos que garanticen la definición isostática del problema. Este método puede ser utilizado para estimar la estabilidad de superficies de geometría arbitraria.

La mayoría de las técnicas desarrolladas no satisface todas las condiciones de equilibrio estático en tres dimensiones y se carece de metodologías generales para la localización de la superficie crítica de deslizamiento.

5.3.3 Métodos numéricos Los métodos de análisis numérico (MEF: método de elementos finitos; MDF: método de diferencias finitas) se utilizan en la práctica geotécnica para estimar el estado de esfuerzos, las deformaciones y el flujo de agua en el terreno.

El factor de seguridad de un talud no se puede estimar directamente utilizando los métodos de análisis numérico. Sin embargo, el valor crítico del factor de reducción de resistencia (SRF, por sus siglas en inglés) si puede determinarse, aplicando el método de la reducción de la resistencia al corte (SSR, por sus siglas en inglés), que es el análogo del factor de seguridad obtenido mediante el método de equilibrio límite. Un buen complemento de esta técnica es el análisis de equilibrio límite.

Los métodos de análisis numérico son de gran utilidad para el cálculo de la magnitud y dirección de las deformaciones, y su uso es indispensable en el análisis de presas y otros taludes especiales. Constituyen la técnica de análisis ideal para estudiar la interacción terreno estructura y realizar estudios del comportamiento dinámico de presa y los taludes de gran altura.

El uso de los métodos de análisis numérico, aplicados al estudio del flujo del agua en el talud, permite la estimación de caudales, presiones de poro y gradientes hidráulicos, entre otros.

5.3.4 Método de análisis cinemático El método de análisis cinemático tiene como objetivo identificar el tipo de falla potencial en taludes rocosos fracturados.

Esta identificación se efectúa por medio del análisis estereográfico de las estructuras geológicas presentes en el macizo rocoso, las cuales controlan los procesos de inestabilidad.

Una vez identificado el proceso de inestabilidad, se debe proceder a determinar el factor de seguridad. A continuación se detallan los tipos de inestabilidad potenciales que pueden determinarse por medio del análisis cinemático y el método correspondiente para encontrar el factor de seguridad:

i. Falla por deslizamiento planar: se analiza mediante la metodología de equilibrio límite en dos dimensiones.

ii. Falla por deslizamiento de cuñas: se analiza por medio de la metodología de equilibrio límite en tres dimensiones.

iii. Volcamiento de columnas y bloques: se analiza utilizando la metodología de equilibrio límite en dos o tres dimensiones y considerando un punto de pivote y la traslación del centro de gravedad de la masa inestable.

5.3.5 Métodos de análisis probabilísticos A diferencia del enfoque tradicional (determinístico), en donde todos los parámetros utilizados en el análisis son constantes invariables y se orientan normalmente a la consideración de peor escenario posible, el método probabilístico para el análisis y diseño de taludes toma en cuenta la incertidumbre asociada con respecto a: i) la determinación de los parámetros de resistencia al corte, ii) la posición del nivel freático, iii) el coeficiente sísmico seudoestático, iv) la geometría del talud y v) cualquier otro parámetro relevante y pertinente que interviene en el cálculo y modificaciones del factor de seguridad.

El método probabilístico se puede utilizar para complementar los análisis determinísticos tradicionales, con poco esfuerzo adicional. Aunque no es indispensable su uso para el análisis o diseño de taludes, este método probabilístico proporciona al diseñador un medio para evaluar el grado de incertidumbre asociado con el factor de seguridad, por eso es necesario incentivar su uso.

5.3.6 Métodos de análisis para estimar deformaciones durante sismos Para evaluar las deformaciones que ocurren durante los sismos, se puede utilizar el método de Newmark del bloque deslizante (Newmark, 1965), desarrollado originalmente para presas y utilizado para la evaluación del comportamiento de laderas durante los sismos (Jibson, 1993). La metodología considera que el material presente en la superficie de falla se plastifica y la masa delimitada sobre esta superficie se desliza, presentando un comportamiento rígido durante un sismo.

5.3.7 Métodos de análisis para evaluar la influencia de la licuación en la estabilidad de taludes y laderas Para evaluar el potencial de licuación durante los sismos y su influencia en la estabilidad de los taludes y laderas, puede ser utilizado el método retrospectivo expuesto por Ishihara, Yasudfa y Yoshida (1990), el método del índice de severidad de licuación (LSI) desarrollado por Youd y Perkins (1987), el método propuesto por Hamada, Yasuda e Isoyama (1987), el método para obtener la resistencia residual obtenida de los ensayos SPT y CPT, propuesto por Seed, Tokimatsu. (1985), Youd e Idriss (2001) o bien Idriss y Boulanger (2004), entre otros.

5.3.8 Métodos de análisis para evaluar la influencia de la erosión interna (tubificación) en la estabilidad de taludes y laderas La finalidad de los análisis de erosión interna es comprobar que el gradiente hidráulico inducido en un talud, ladera o presa, no sobrepase el valor máximo permisible definido como gradiente hidráulico crítico. El cálculo del gradiente hidráulico con el que se realiza el análisis de la erosión interna se puede llevar a cabo mediante la construcción de redes de flujo o por medio del análisis con métodos numéricos (Artículo 5.3.3).

5. 4 Otros procedimientos de análisis A continuación se presentan otros procedimientos que se pueden utilizar para el análisis de taludes y laderas. Estos se pueden complementar con los métodos de análisis indicados en el apartado anterior.

5.4.1 Método de retroanálisis En taludes o laderas donde ya han sucedido o están sucediendo deslizamientos y existe información suficiente (geometría antes y después de la falla, ubicación de nivel freático, entre otros), es posible y conveniente realizar retroanálisis con el fin de estimar los parámetros de resistencia representativos a lo largo del plano de falla. Como el talud ya ha fallado, el factor de seguridad considerado en el retro-análisis debe ser prácticamente igual a la unidad (1,0). Los parámetros obtenidos con este método deben tomarse en cuenta en el diseño de las soluciones.

5.4.2 Método de análisis por precedente En algunos casos, para dimensionar taludes se puede utilizar el análisis por precedente. Este método consiste en utilizar la geometría de taludes que durante largo tiempo han demostrado ser estables en condiciones climáticas y geológicas similares. El principal peligro de utilizar el diseño por precedente surge cuando se extrapola a un ambiente con diferencias aun sutiles y que pueden influir de manera significativa (Deere y Patton, 1971). Por lo tanto, este método se considera válido solamente para realizar el dimensionamiento preliminar de taludes durante las etapas de diseño conceptual y luego, durante las etapas posteriores deberá ser complementado con otras metodología de análisis más rigurosas y detalladas.

5.4.3 Método observacional El método observacional consiste en la aplicación de un proceso continuo de análisis y evaluación, gestionado e integrado. Para su aplicación es indispensable el uso de instrumentación, así como su control, monitoreo y evaluación, que permitan realizar modificaciones previamente definidas. El objetivo final del método observacional es lograr una mayor economía en general, sin comprometer la seguridad (Terzaghi et al., 1996).

5.4.4 Análisis de flujos y avalanchas El análisis de flujos y avalanchas implica la utilización de herramientas tanto de la mecánica de suelos como de la mecánica de fluidos, por lo general integradas utilizando métodos numéricos en dos o tres dimensiones, y mediante la aplicación de modelos y la utilización de sistemas de información geográfica para mostrar los resultados del análisis de escenarios. Por lo anterior el análisis de este tipo de inestabilidades en taludes y laderas, está fuera del alcance de esta normativa.

6 Sistemas de protección y estabilización de taludes y laderas La definición y decisión del tipo de protección y estabilización utilizados en un talud o ladera, debe ser el resultado de la evaluación geotécnica de la estabilidad. Para ellos se deberá tomar en cuenta, entre otros factores, las dimensiones del talud, los modos de falla identificados o potenciales, la disponibilidad de materiales para la construcción, la importancia y la vida útil de la obra y los efectos sobre terceros (i.e. vidas humanas, economía, ambiente, infraestructura, etc.).

En la selección de los sistemas de estabilización también deben tomarse en cuenta la disponibilidad y el costo de los materiales, las necesidad de obras temporales, la seguridad del personal, la logística, los tiempos de construcción, las limitaciones de espacio en el sitio, las limitaciones por impactos ambientales, la vida útil de la estructura y los costos y necesidades de mantenimiento asociados.

Toda solución que se implemente para garantizar la estabilidad de un talud o una ladera, debe ser verificada por el profesional responsable, utilizando como base un modelo geotécnico confiable, según los lineamientos expuestos en el Artículo 5.2 y cumpliendo con el nivel de seguridad, factores de seguridad mínimos y probabilidades definidos en el Capítulo 2.

Es común que la solución óptima (en términos económicos y de seguridad) para garantizar el adecuado funcionamiento de un talud, sea la combinación de dos o más técnicas de protección o estabilización, especialmente en lo relativo al drenaje.

En este capítulo se detallan algunos de los sistemas de protección y estabilización utilizados en taludes excavados en suelo o en roca, sin pretender que esto sea una guía de diseño, que podrán ser implementados de acuerdo a la identificación de los mecanismos de falla.

6.1 Movimiento de tierra Los movimientos de tierra que se realizan con el fin de estabilizar taludes, deben ejecutarse siguiendo los lineamientos establecidos en la División 200 del Manual de especificaciones generales para la construcción de carreteras, caminos y puentes (CR-2010). Todo movimiento de tierra planteado como solución a un problema de estabilidad (remoción de material, adición de material o inclusión de bermas), debe ser el resultado del análisis de estabilidad del talud o ladera realizado sobre un modelo geotécnico confiable.

Además, y en caso que sea necesario, se recomienda realizar un movimiento de tierra para eliminar los materiales que se han deslizado del pie del talud o ladera. Se deberá verificar la estabilidad del talud resultante por medio de un modelo geotécnico adecuado, con el objetivo de evitar agravamientos de las condiciones de inestabilidad.

6.1.1 Inclusión de bermas La inclusión de bermas tiene como objetivos principales restringir la extensión fallas del talud a una zona específica, reducir la energía cinética de los bloques de roca que puedan caer al desprenderse del talud, servir para colocar en ellas estructuras para el manejo de aguas y para permitir el mantenimiento del talud o sus estructuras. Para incluir bermas en los taludes es necesario disponer de un espacio adecuado en medio del talud. Debe prestarse atención al hecho que las bermas pueden resultar perjudiciales, para la estabilización de taludes conformados por materiales que poseen una alta susceptibilidad a la degradación a lo largo tiempo, por lo que no se recomienda su uso sin la aplicación de un adecuado tratamiento para prevenir los efectos negativos de los agentes ambientales. Si se desea que las bermas proyectadas sean transitables, se deberá disponer de puntos de acceso así como de anchos y pendientes adecuados.

En general las bermas deberán tener una pendiente transversal hacia el interior del talud, para evitar que tanto el agua como los posibles desprendimientos superiores sean dirigidos hacia la parte inferior del mismo. Además, se debe valorar la necesidad de disponer de una cuneta revestida en el contacto de la berma con el pie del talud hacia arriba.

6.1.2 Rellenos al pie y escolleras Una forma simple de mejorar el factor de seguridad de un talud ya construido o de una ladera, que presenta problemas de estabilidad, es mediante la colocación de un relleno al pie (puede ser de tipo escollera), que proporcione un empuje pasivo.

Este relleno también puede interceptar las posibles superficies de deslizamiento mediante un pequeño empotramiento, lo que permite incrementar la resistencia al corte a lo largo de la misma.

Este método es muy efectivo en deslizamientos no muy grandes de tipo rotacional. Se requiere una cimentación competente para el material al pie del talud. El material de relleno debe ser seleccionado especialmente para tal fin. La cantidad de material a ser colocado debe ser definido con base en el análisis de estabilidad.

6.1.3 Remoción de material de la corona Remover material de la parte superior de un talud o ladera puede producir un equilibrio de fuerzas que genere un aumento en la estabilidad. La eliminación de material es efectiva para aumentar el factor de seguridad de masas de terreno inestables. En deslizamientos muy grandes, la masa de terreno que debe eliminarse puede ser muy grande, lo cual aumenta los costos del movimiento de tierras.

6.1.4 Remoción de bloques inestables Los bloques de roca con posibilidad de rodar y caer por un talud o ladera, pueden ser identificados y eliminados, con lo cual se reduce la amenaza. La eliminación puede ser realizada manualmente, mediante el uso de voladuras controladas o utilizando medios mecánicos. Esta técnica puede ser inadecuada en taludes rocosos muy fracturados o en taludes de gran altura.

6.2 Drenaje En casi todos los problemas de inestabilidad de taludes y laderas suele estar presente la intervención del agua, en una u otra forma. Por ello su manejo adecuado es imprescindible, para evitar o resolver este tipo de problemas, de modo que las medidas de drenaje casi siempre complementan las demás acciones e, incluso en ocasiones, pueden ser por sí mismas suficientes para garantizar o recuperar la estabilidad.

Las medidas que a continuación se indican, tienen el objetivo de captar caudales indeseados o perjudiciales y conducirlos ordenadamente hacia puntos de vertido alejados del problema. Por ello es especialmente importante que en todos ellos que se respeten las siguientes reglas:

Todos los sistemas de drenaje deben ser registrables, de manera que pueda verificarse que recogen los caudales previstos y, por tanto, son efectivos. Estos registros deberán permitir además la limpieza de sedimentos y vegetación cuando sea necesario.

Los sistemas de drenaje estarán conectados en su salida a un sistema de evacuación mediante colectores, cunetas, etc. que alejen los efluentes de los puntos problemáticos.

Es primordial vigilar y verificar el funcionamiento de los sistemas de drenaje tanto en la masa drenada como en los puntos de evacuación, pues de no producirse la evacuación del agua, el efecto podría llegar a ser incluso contraproducente al atraer y concentrar el agua al interior de las masas cuyo drenaje intenta asegurarse.

6.2.1 Drenaje superficial Se incluyen en esta categoría las zanjas y los canales de drenaje. Las estructuras de drenaje superficial pueden estar ubicadas en la coronación del talud, en bermas intermedias, a mitad del talud o interceptando el agua y el perímetro y fuera de la zona del talud.

El diseño del drenaje superficial debe incluir también el detalle de los canales colectores, estructuras de disipación de energía, así como las medidas de protección contra la erosión superficial, necesarias para garantizar la estabilidad del talud y minimizar la cantidad de sedimentos que causen un impacto ambiental negativo. Estas obras deben ser contempladas desde la etapa de diseño del proyecto del talud.

Las estructuras utilizadas para el drenaje superficial de un talud deben ser dimensionadas utilizando la información hidrológica disponible. Sin embargo, en algunos casos puede ser necesario realizar un estudio hidrológico específico. Para su construcción se deben seguir los lineamientos estipulados en las divisiones 600 y 650 del CR-2010.

6.2.2 Subdrenaje Los subdrenajes son zanjas excavadas a mano o con retroexcavadora que se rellenans con material drenante y para el transporte del agua. Usualmente se utilizan para evitar la generación de presiones de agua en los muros de contención, así como para abatir el nivel freático en taludes con la consecuente reducción en la presión de poro, mejorando así la estabilidad ante el deslizamiento.

En el diseño y construcción de los subdrenajes se deben seguir los lineamientos dados en el apartado 6.5.2 del CCCR y en las divisiones 600 y 650 del CR-2010.

6.2.3 Drenaje profundo En esta categoría de drenaje se encuentran las perforaciones realizadas desde el pie del talud o desde las bermas, los pozos y las galerías de drenaje. Su objetivo principal es abatir el nivel freático en procura de la disminución de la presión de poros y la consecuente mejora en la estabilidad de los taludes. Su dimensionamiento se debe realizar utilizando la información geológica, hidrogeológica y geotécnica del sitio de estudio.

Generalmente se propone para su diseño, un patrón sistemático de perforaciones, el cual se debe optimizar con base en las condiciones de campo que se encontraron durante la etapa de construcción.

El diseño de los drenajes profundos en taludes rocosos fracturados debe estar enfocado a interceptar la mayor cantidad posible de discontinuidades.

En el diseño de los drenajes profundos se debe verificar que el gradiente crítico del material no sea superado y que los finos presentes en el terreno, no sean arrastrados por el agua. Para esto, los drenajes deben ser protegidos mediante el uso de materiales granulares o geosintéticos que cumplan con las leyes de filtros.

Se deben realizar medidas de caudal a la salida de los drenajes con el fin de verificar su eficiencia. La periodicidad de las medidas debe ser definida por el profesional responsable, según las condiciones del proyecto.

6.3 Muros El dimensionamiento de cualquier tipo de muros debe garantizar la estabilidad al volcamiento, deslizamiento y capacidad de carga de la cimentación según lo expuesto en el Capítulo 6 del CCCR. La línea de acción de los esfuerzos resultantes sobre la estructura debe ubicarse en el tercio central de la base, de lo contrario, el profesional encargado del diseño deberá justificar adecuadamente el caso.

El mayor riesgo para la estabilidad de un muro de contención es la presencia de presiones de agua en su trasdós o su pie, lo que reduce notablemente su seguridad. Por ello es imprescindible acompañar cualquier estructura de contención de las medidas de drenaje oportunas, incluso en el caso de que no se haya detectado la presencia directa de agua durante los reconocimientos previos.

6.3.1 Muros rígidos 6.3.1.1 Muros en voladizo Los muros en voladizo son estructuras que resisten esfuerzos de flexión, y en su mayoría utiliza parte del peso propio del suelo que se apoya sobre su base para garantizar su equilibrio. Usualmente se construyen con concreto reforzado o mampostería reforzada.

Este tipo de muros requiere en general volúmenes de concreto menores en alturas pequeñas cuando son comparados con los muros de gravedad, además utilizan métodos convencionales de construcción, en los cuales la mayoría de los maestros de construcción tienen experiencia suficiente.

Sin embargo los muros en voladizo requieren de una buena capacidad soportante en la cimentación y la utilización de formaletas especiales. La dificultad es que pueden volverse antieconómicos, para alturas muy grandes y por ser livianos resultan inadecuados en muchos casos de estabilización de deslizamientos de masas grandes de suelo Para su diseño y construcción se deben seguir los lineamientos estipulados en la División 250 del CR-2010.

6.3.1.2 Muros de gravedad La estabilidad de estos muros se garantiza a través del peso propio de la obra. Pueden ser de concreto convencional, concreto ciclópeo, rellenos duros, mampostería, gaviones (según su geometría), entre otros.

Los muros de gravedad son en general, relativamente simples de construir, requieren de bajos costos de mantenimiento, además de que pueden adoptar diferentes geometrías y utilizarse con fines arquitectónicos.

Para su realización requieren una alta capacidad de soporte en la cimentación. Excepto para el caso de los gaviones, se trata de estructuras rígidas que no soportan deformaciones importantes y no son capaces de resistir esfuerzos de flexión elevados.

6.3.2 Muros flexibles Los muros flexibles son estructuras cuya estabilidad se garantiza a través del peso propio de la obra. Pueden construirse con gaviones, celosías, llantas, entre otros materiales.

En general los muros flexibles son relativamente sencillos de construir y soportan deformaciones importantes. Los muros de gaviones y celosía permiten el alivio de las presiones de agua, siempre y cuando estén adecuadamente drenados. Los muros de celosías pueden adoptar geometrías diferentes y utilizarse con fines arquitectónicos. Los muros de llantas ayudan con el reciclaje de materiales de desecho poco biodegradables.

El uso de muros de celosías se ve limitado porque requieren material granular drenante y, además, la compactación del material de relleno es difícil dentro y cerca de las celosías. Los muros de llantas por su parte son susceptibles al fuego y no existen procedimientos confiables para su diseño.

En cuanto a los muros de gaviones, requieren cantos o bloques de roca sana, los cuales pueden no estar disponibles en todos los sitios. Además, utilizan mallas de acero galvanizado que puedan resistir la corrosión en ambientes ácidos. Para el diseño y construcción de muros de gaviones se deben seguir los lineamientos estipulados en la División 250, Secciones 253 y 257 del CR-2010.

6.3.3 Muros de suelo reforzado Estos muros son estructuras donde se colocan elementos de refuerzo directamente en el interior del terreno, para aumentar su resistencia a los esfuerzos de tensión y cortante. Estos elementos pueden ser de acero galvanizado (tiras metálicas), geosintéticos, columnas de suelo mejorado con material cementante, entre otros que trabajen en conjunto con el terreno.

Son relativamente fáciles de construir, se adaptan fácilmente a la topografía existente y generalmente utilizan el suelo como elemento principal de construcción, aunque algunos muros de este tipo requieren materiales selectos para su construcción. Dependiendo del tipo de refuerzo del muro, pueden ser construidos sobre cimentaciones débiles y toleran deformaciones y asentamientos diferenciales del terreno elevados, además de ser fáciles de demoler o reparar. En ocasiones dependiendo del tipo de muro (refuerzo del muro), se puede requerir de un material de cimentación competente. Los muros de suelo reforzado requieren un espacio de construcción superior a cualquier otra estructura de contención.

Se debe demostrar en el diseño, que los esfuerzos que actúan sobre los elementos de refuerzo no sobrepasan su capacidad de trabajo. Para su diseño y construcción se deben seguir los lineamientos estipulados en la División 250, Sección 255 del CR-2010.

6.5 Estructuras ancladas La estabilidad de estas estructuras se garantiza por medio de anclajes que transfieren las cargas al terreno o a estructuras específicas de anclaje. Los elementos de anclajes pueden ser de tipo pasivo (usualmente barras de acero embebidas en lechada) o activos (tirantes o tendones de acero de alta resistencia a la tensión, pretensados, con un bulbo que transmite las cargas al terreno).

La estructura puede ser continua, en cuadrícula o placas individuales. Para su construcción se utiliza concreto lanzado reforzado o sin reforzar, concreto convencional reforzado o sin reforzar, placas de acero o mallas de acero de alta resistencia, entre otros.

Son útiles como estructuras de contención, en masas de suelo de tamaño pequeño a mediano, estabilización de bloques de roca, estabilización de cuñas de roca, estabilización de fallas de tipo planar en roca, entre otros. Como desventajas en el uso de estructuras ancladas para la estabilización de taludes, se pueden mencionar la necesidad de equipos especializados para su ejecución, además de su alto costo de construcción y, en algunas ocasiones, de mantenimiento.

Para su diseño y construcción se deben seguir, como mínimo, los lineamientos estipulados en la División 250, Secciones 256, 257, 259 y 261 del CR-2010 o en los manuales de diseño de la FHWA.

6.5 Estructuras enterradas 6.5.1 Tablestacas Las tablestacas son estructuras de contención constituida por medio de elementos prefabricados, usualmente de acero, que se hincan en el terreno. Su construcción es rápida y no requiere de excavaciones previas, por lo que se utilizan frecuentemente para la estabilización de cortes a la orilla de cuerpos de agua o ríos. Combinando el uso de tablestacas y anclajes se consigue estabilizar cortes con alturas mayores. La desventaja principal de las tablestacas la constituye su método constructivo, pues por ser hincadas en el terreno, no pueden construirse en sitios con presencia de bloques o en roca.

6.5.2 Pilotes Existen de dos tipos según su método de construcción: hincados o preexcavados. Son estructuras de concreto reforzado, acero o madera, efectivos en la estabilización de movimientos de masa poco profundos, donde existe suelo competente debajo de la superficie de falla que permita soportar los pilotes. Los pilotes no requieren movimiento de tierras para su construcción, la estabilidad del talud se afecta muy poco durante su construcción y su eficiencia mejora si se anclan en la cabeza.

Los pilotes deben diseñarse geotécnica y estructuralmente para soportar carga lateral, además debe garantizarse una profundidad de empotramiento adecuada. Generalmente se coloca más de una fila y requieren de vigas cabezales y arriostre para su interconexión.

Su uso es poco eficiente en deslizamientos profundos de tipo rotacional, pues se puede llegar a requerir de un gran número de pilotes, fuertemente armados y de longitud importantes, costosos por lo tanto, para estabilizar el movimiento de la masa.

6.5.3 Pilas Las pilas son elementos de concreto reforzado, que deben pasar a través de la superficie de falla y se entierran en roca o suelo competente. El anclaje en el estrato competente genera una resistencia lateral de capacidad de soporte, permitiendo a la pila desarrollar una fuerza que se opone al movimiento del deslizamiento. Tienen la ventaja de que no se requiere cortar el talud antes de construirlas, utilizan sistemas convencionales de construcción, pueden ejecutarse en sitios de difícil acceso y también pueden ser construidas varias pilas simultáneamente.

Deben diseñarse geotécnica y estructuralmente para soportar carga lateral, además debe garantizarse una profundidad de empotramiento adecuada. Normalmente se coloca más de una fila y requieren de vigas cabezales y arriostre para su interconexión.

Entre las desventajas del uso de pilas como elementos de estabilización se encuentran su elevado costo, dado que hay que profundizar muy por debajo del pie de la excavación y además, se requiere de bombeo para el control del nivel freático durante su construcción.

6.6 Revestimiento de taludes El revestimiento de taludes contribuye principalmente con el control de la erosión superficial. Para llevar a cabo este proceso se deben seguir los lineamientos estipulados en las divisiones 150 y 600 del CR-2010.

Los taludes excavados en suelo se pueden revestir con concreto hidráulico, geotextiles, adoquines, mampostería de bloques de concreto, piedra labrada, piedra sin labrar o bloques celulares de concreto. En general, el efecto sobre la estabilidad general del talud de los métodos anteriormente citados es muy bajo.

La vegetación en los taludes, que incluye la utilización de árboles y arbustos de raíz profunda, puede aportar una resistencia cohesiva a los mantos de suelo más superficiales, facilitando el drenaje subterráneo y reduciendo la probabilidad de deslizamientos poco profundos.

Los taludes excavados en roca pueden revestirse con concreto lanzado (con o sin refuerzo), el cual puede absorber los esfuerzos desarrollados por la roca, previniendo la apertura de nuevas fisuras o discontinuidades nuevas, reduciendo la posibilidad de desprendimientos y evitando que ocurra el deterioro de la superficie de roca expuesta a los agentes ambientales y el intemperismo.

6.7 Barreras y estructuras de impacto El principal objetivo de estas barreras y estructuras es reducir la energía cinética de los bloques de roca que tengan el potencial de caer por el talud. Su dimensionamiento debe hacerse por medio de métodos numéricos que simulen la energía y trayectoria de los bloques de roca que caigan por el talud. Los tipos de barreras y estructuras de impacto más comúnmente utilizada son:

i. Muros rígidos de impacto: Se trata de estructuras rígidas construidas con el fin de detener bloques de roca o flujo de detritos. Son barreras que utilizan muros de concreto simple, concreto armado, concreto ciclópeo, gaviones, bloques de roca o suelo reforzado. Los muros interceptores se utilizan como una barrera que suspende el proceso de ruedo o salto de bloques de roca e impide que estos alcancen la vía o estructura que se requiere proteger. Los muros de concreto y los de gaviones son muy vulnerables y pueden ser destruidos fácilmente por el impacto de los bloques. Pueden construirse en conjunto con trincheras de amortiguación para aumentar su capacidad de intercepción y almacenamiento de bloques.

ii. Barreras flexibles: Es un sistema de componentes (malla de acero y anclajes) que se coloca sobre la superficie del talud, con capacidad para absorber la energía cinética desarrollada por los desprendimientos de bloques de roca o flujos de detritos. La capacidad para absorber energía de las barreras flexibles depende de la resistencia mecánica de los elementos constitutivos, de sus características esfuerzo-deformación y de la estabilidad general del sistema iii. Trincheras de amortiguamiento: Se construyen con el fin de impedir que la caída de bloques de roca afecten una vía de transporte. Representa una solución muy efectiva cuando existe espacio adecuado para su construcción. Se requiere diseñar el ancho, profundidad, pendiente y capacidad de almacenamiento de la trinchera. El ancho y profundidad de las trincheras están relacionados con la altura y la pendiente del talud y la estimación de la energía cinética de los bloques que caerán.

iv. Túneles falsos de concreto estructural: Estructuras de concreto armado con un relleno para amortiguar el impacto de los bloques, inclinadas a una determinada pendiente para permitir el paso de los caídos, flujos y avalanchas sobre ellas. Generalmente, son obras muy costosas y su uso se limita a sitios donde otras formas de estabilización no son efectivas y cuando los problemas son lo suficientemente graves para justificar la inversión económica.

El diseño de estas obras de contención y control de bloques caídos debe ser realizado por un especialista en geotecnia y con experiencia en este tipo de soluciones.

7 Instrumentación e inspección geotécnica para taludes y laderas La instrumentación geotécnica consiste en sistemas de monitoreo y alerta, que se utilizan con el fin de corroborar el modelo geotécnico de un talud o ladera, la detección de anomalías y para la protección de vidas, la infraestructura, las inversiones y el ambiente. No evitan por sí solos la inestabilidad de un talud o ladera, pero son elementos de gran importancia para la obtención de datos cuyo fin es hacer análisis retrospectivos o de comprobación, así como para la toma de decisiones en la gestión de riesgo por deslizamientos en zonas susceptibles.

Instrumentación geotécnica7.1 a. Las situaciones típicas en las que se requiere de la instrumentación geotécnica de un talud o ladera son las siguientes:

i. Determinación de la profundidad y forma de la superficie de falla de un deslizamiento activo.

ii. Determinación de los movimientos verticales y horizontales dentro de una masa en proceso de deslizamiento.

iii. Determinación de la tasa de deslizamiento y definición de una tasa de deslizamiento que amerite una alarma.

iv. Monitoreo de la estabilidad y las deformaciones alrededor de zonas donde se ejecutan cortes o rellenos.

v. Monitoreo de los niveles de agua subterránea o presiones de poro y su correlación con la actividad del deslizamiento.

vi. Colocación de sistemas de medidores y comunicación a sistemas de alerta, alarma, advertencia y respuesta ante la amenaza de la inestabilidad de laderas y taludes.

vii. Monitoreo y evaluación de la efectividad de los diferentes sistemas de estabilización o control instalados viii. Medición de la presión lateral del suelo y de los esfuerzos en los elementos de soporte.

ix. Verificación de las premisas de diseño durante la etapa constructiva y de operación, donde el material muestra sus características o propiedades reales, incluyendo su comportamiento ante las condiciones de trabajo y de cargas temporales (e.g. sismo, lluvia, sobrecargas).

b. La comprobación de las premisas de diseño debe entenderse como una necesidad implícita del proceso de exploración geotécnica, evaluación y diseño geotécnico, el cual se basa en sondeos aislados, puntuales, a los que les fue asignada un área de influencia, con sus respectivas propiedades, características y parámetros físico-mecánicos.

c. En áreas propensas a deslizamientos, se deben diseñar sistemas de alerta, advertencia, alarma y respuesta, que, además de la instrumentación de los taludes y laderas, deben incluir procesos de información a los tomadores de decisiones y a las comunidades, que podría verse afectadas por un posible evento.

d. La instrumentación de un talud o ladera debe ser definida por el profesional responsable con base en el nivel de riesgo de pérdida de vidas humanas, pérdidas económicas o perdidas ambientales según lo definido en la Tabla 1 y la Tabla 2 del Artículo 2.1 y la complejidad geotécnica del sitio estudiado según lo estipulado en el Artículo 4.1.3. En la Tabla 13 se muestran las clases de instrumentación para taludes y laderas, tomando como base los aspectos de riesgo y complejidad geotécnica.

Tabla 13. Clases de instrumentación en taludes y laderas

e. Los requisitos definidos en la Tabla 13, para cada una de las clases de instrumentación, son los siguientes:

i. Clase A: La instrumentación se considera opcional, debe utilizarse cuando el profesional responsable lo considere necesario.

ii. Clase B: Es recomendable la instalación de instrumentos que aporten datos relevantes y que permitan garantizar y verificar la estabilidad o inestabilidad de los taludes y laderas.

iii. Clase C: La instrumentación en los taludes y laderas se considera obligatoria. Igualmente se considera obligatoria la instrumentación en las presas.

f. Las medidas de los instrumentos colocados como parte del proceso de instrumentación de un talud o ladera deben ser interpretadas por un profesional g. La periodicidad de las medidas de instrumentación debe ser definida por el profesional responsable, con base en el modelo geotécnico del talud o ladera y de acuerdo con las necesidades específicas del caso (i.e. comprobación de diseño, sistema de alerta, advertencia, alarma-respuesta, entre otros).

h. Las eventuales anomalías que puedan detectarse a lo largo del seguimiento de la evolución de datos que ofrece instrumentación, tales como desplazamientos o cargas excesivas, niveles de agua o caudales de agua muy elevados o instrumentos dañados sin posibilidad de realizar la lectura, deben ser inmediatamente comunicadas al dueño de la obra o a los entes gubernamentales competentes en la gestión del riesgo.

Los instrumentos seleccionados para la auscultación de una ladera o talud, así como el sistema de gestión de los datos que se deriven de ellos, deben satisfacer unos requisitos mínimos que avalen su utilidad, como por ejemplo los que siguen:

Las lecturas y mediciones deben ser magnitudes cuantificables.

Se deben poder modelizar e introducir en los esquemas de cálculo y comprobación, así como para obtener los valores de referencia:

- Valores previstos - Rango de variación - Valores límite para guiar el sistema de alerta, advertencia-alarma-respuesta Es importante poder definir comportamientos a través de varias magnitudes para contrastar resultados.

La comparación de los valores previstos durante la fase de diseño de la instrumentación, con los obtenidos durante la auscultación, debe permitir la verificación del diseño y, en caso necesario, su modificación, con el objeto de adaptar las previsiones del proyecto a la realidad.

Previamente a la instalación de la instrumentación y a la obtención de los datos y resultados, se debe redactar el procedimiento de actuación (i.e. protocolo) para el caso de que sean detectados valores superiores a los límites establecidos.

7.2 Tipo de instrumentación a. El profesional responsable es el encargado de definir el tipo de medición requerida, el tipo de instrumento que mejor se adapte a las necesidades del talud o ladera por estudiar, la ubicación, la profundidad, método de instalación, metodología de medición e interpretación y la presentación de los datos e información recopilados a partir de la instrumentación colocada.

b. Los instrumentos normalmente utilizados y sus aplicaciones son los siguientes:

i. Control de desplazamientos en profundidad por medio de inclinómetros. Los inclinómetros deben sobrepasar la profundidad del supuesto plano de ruptura y movimiento del terreno.

ii. Localización de la superficie de falla utilizando reflectometría (TDR). El cable colocado debe sobrepasar la profundidad del supuesto plano de ruptura y movimiento del terreno.

iii. Control de movimientos superficiales horizontales y verticales (inclinación y desplazamientos) a través de marcos superficiales, con control topográfico de precisión y a partir de bases localizadas fuera del área sujeta a desplazamientos.

iv. Control de desplazamientos superficiales por medio de extensómetros verticales y horizontales, de tipo barra o magnéticos.

v. Control de giros y rotaciones utilizando girómetros.

vi. Control de abertura de fracturas, juntas, grietas o fisuras, mediante la instalación de puntos de control, medidores de grietas, mediciones con cinta de acero invar, sellos u otros dispositivos.

vii. Medición de cargas (i.e. esfuerzo) actuantes en anclajes activos o pasivos a través de celdas de carga, medidores de deformación eléctricos o conjunto bomba/martillo hidráulico.

viii. Medición de presiones actuantes en estructuras de contención por medio de celdas de carga.

ix. Medición de la presión de poros mediante la instalación de piezómetros abiertos, de cuerda vibrante, neumáticos o de fibra óptica.

x. Medición de caudales de agua drenada por los dispositivos, subhorizontales, pozos y galerías de drenaje.

xi. Medición de la precipitación a través de la instalación de estaciones meteorológicas que incluyan pluviómetros y, perferiblemente, pluviógrafos.

xii. Medición de aceleraciones mediante la instalación de acelerógrafos.

c. Otros tipos de instrumentos pueden ser utilizados, siempre y cuando atiendan las necesidades del proyecto. Todos los instrumentos instalados para la observación, vigilancia y auscultación, deben ser protegidos contra posibles actos de vandalismo y deterioro por exposición a la intemperie.

En la selección de los tipos de aparatos de medida, su número y ubicación, deben tenerse en cuenta, al menos, los aspectos siguientes:

· Fundamento físico en que se basan · Robustez, fiabilidad, precisión y tolerancias admisibles · Rango de medidas · Limitaciones de emplazamiento y seguimiento · Conveniencia de ubicarlos en secciones representativas de las obras que permitan su correlación · Interferencias con las obras o estructuras Los equipos deben ser plenamente accesibles para los técnicos de seguimiento incluso en condiciones climáticas desfavorables, y deben estar protegidos del vandalismo e intemperie, mediante arquetas y otros dispositivos adecuados.

Se debe valorar especialmente la posibilidad de pérdida del equipo. Ello es especialmente frecuente en el estudio de movimientos activos, lo cual provoca, aparte de la pérdida económica, la interrupción de la información lo cual podría ocurrir incluso en el momento más crítico. También suele producirse accidentalmente durante la ejecución de las obras, por lo que se pierde la posibilidad de contrastar los resultados previstos.

Una recomendación usual, aunque pueda parecer excesiva, consiste en duplicar el número de equipos imprescindibles.

8 Referencias 8.1 Normativas nacionales Asociación Costarricense de Geotecnia - Comisión Código de Cimentaciones de Costa Rica. 2008. CCCR: Código de Cimentaciones de Costa Rica. Editorial Tecnológica de Costa Rica. Cartago, Costa Rica.

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Apéndice 1 PLANTILLA - REPORTE DE INSPECCIÓN PRELIMINAR Apéndice 2 ENSAYOS DE CAMPO En la Tabla 14, a modo de guía, se indican algunos ensayos de campo directos aplicables en suelos, mientras que en la Tabla 15 se incluyen algunos ensayos de campo aplicables al estudio de las rocas. En ambas tablas se presentan los objetivos de la realización de cada uno de los ensayos geotécnicos.

Adicionalmente a los ensayos de campo directos, pueden ser utilizados métodos de prospección geofísica. Este tipo de prospección, los cuales deben ser realizados por un profesional experimentado y calificado, constituye un apoyo importante a los ensayos de campo directos en la definición del modelo geotécnico, pero bajo ninguna circunstancia los sustituyen.

Los estándares para aplicar los métodos de investigación geofísica se pueden consultar en las normas ASTM. Se presenta la Tabla 16 como guía donde se indican algunos métodos de investigación geofísica.

Tabla 14. Tipos de ensayos de campo en suelos y sus objetivos principales | Propiedad | Ensayo | Designación ASTM | Objetivo principal | | --- | --- | --- | --- | | Descripción | Descripción e identificación de suelos | D2488 | Describir el suelo con fines ingenieriles. | | Resistencia | SPT Cono estático Veleta DMT | D1586 D3441 D2573 D6635 | Determinar la resistencia al corte, calcular la resistencia última a la falla. | | Deformabilidad | Placa rígida Presiómetro Menard Presiómetro TEXAM Presiómetro Pencel Presiómetro Probex DMT SDMT | D1194 D4719 D4719 D4719 D4719 D6635 D6635 | Evaluar parámetros de deformabilidad de suelos útiles para el análisis de deformaciones. | | Otros | Densidad | D5030 | Definir la densidad en campo. | Tabla 15. Tipos de ensayos de campo en rocas y sus objetivos principales | Propiedad | Ensayo | Designación | Objetivo principal | | --- | --- | --- | --- | | Descripción | Reporte geotécnico básico para la descripción de los macizos rocosos Descripción de discontinuidades en macizos rocosos | ISRM (1980) ISRM (1978) | Descripción del macizo rocoso con fines ingenieriles. | | Resistencia | Corte directo in situ | ISRM (1974) | Determinar la resistencia al corte, calcular la resistencia última a la falla. | | Deformabilidad | Placa rígida Gato Goodman Gato plano | ISRM (1979) ASTM D4729 ISRM (1986) | Evaluar los parámetros de deformabilidad de suelos y rocas útiles para el análisis de deformaciones | Tabla 16. Métodos de investigación geofísica | Tipo de método | Designación ASTM | Objetivo principal | | --- | --- | --- | | Sísmica de refracción | D5777 | Determinación de la velocidad de onda P del terreno a diferentes profundidades. | | Tomografía sísmica (Crosshole) | D4428 | Determinación de la velocidad de onda P del terreno a diferentes profundidades (entre perforaciones cercanas). | | SASW (Spectral analysis of surface waves) | D6758 | Determinación de la velocidad de onda S de los primeros 30 m del terreno. | | Resistividad eléctrica | D6431 | Determinación de la resistividad eléctrica del terreno a diferentes profundidades. | Apéndice 3 ENSAYOS DE LABORATORIO Los estándares más utilizados para llevar a cabo estos ensayos de laboratorio son los de las normas ASTM. Como guía se presenta la Tabla 17 donde se indican algunos ensayos de laboratorio para suelos y la Tabla 18 donde se indican algunos ensayos de laboratorio para rocas, en ambos casos se presentan los objetivos de su ejecución.

Tabla 17. Tipos de ensayos de laboratorio en suelos y sus objetivos principales | Propiedad | Ensayo | Designación ASTM | Objetivo principal | | --- | --- | --- | --- | | Clasificación | Humedad natural Peso volumétrico Granulometría Límites de consistencia | D4959 D2216 D6913 / D422 D4318 | Clasificar el suelo de acuerdo con sistema Internacionales. Obtener Correlaciones con otras propiedades de difícil obtención. | | Resistencia | Compresión uniaxial Compresión triaxial Corte directo Veleta | D2166 D4767 / D2850 D3080 D4648 | Medir la resistencia a la compresión, al corte, calcular la resistencia última a la falla. | | Deformabilidad, compresibilidad y expansión | Deformabilidad Consolidación Expansión bajo carga Expansión libre | D7012 D2435 D4546 D2844 | Medir los parámetros de deformación, calcular asentamientos y expansión de los suelos arcillosos (cohesivos). | Tabla 18. Tipos de ensayos de laboratorio en rocas y objetivos principales | Propiedad | Ensayo | Designación del ensayo | Objetivo principal | | --- | --- | --- | --- | | Clasificación | Humedad - Porosidad - Densidad - Absorción - Slake durability index Velocidad sónica | ISRM (1979) ISRM (1978) | Clasificar el suelo de acuerdo con sistemas internacionales. Obtener correlaciones con otras propiedades de difícil obtención. | | Resistencia o deformabilidad | Compresión uniaxial Compresión triaxial Resistencia a la tracción Carga puntual Corte directo | ISRM (1979) / ASTM D7012 ISRM (1978) ASTM D3967 ISRM (1985) / ASTM D5731 ISRM (1974) | Medir la resistencia a la compresión, al corte, calcular la resistencia última a la falla, determinar los parámetros de deformabilidad de la roca intacta. | Rige a partir de su publicación en el Diario Oficial La Gaceta.