Modelación numérica 3D para estabilización de taludes utilizando drenes subhorizontales

Las intensas lluvias del sur de Chile provocan un aumento en las presiones de poros, debido a un aumento del nivel freático, afectando directamente la estabilidad de un talud. Para aumentar el factor de seguridad, se ha observado que un método efectivo es la utilización de drenes subhorizontales. Éstos generan un gradiente de energía entre el interior del dren y el suelo, permitiendo un flujo de agua que disminuye la presión de poros. No obstante, el diseño del espaciamiento, así como el largo y diámetro de los drenes a utilizar no se encuentra detalladamente estudiado. Además, el diseño del sistema de drenaje propuesto es un problema que debe ser abordado tridimensionalmente pues la distribución de presiones de poros (y del nivel freático) es una variable que varía tanto en el plano a lo largo de los drenes como en el plano perpendicular a ellos. El objetivo de esta investigación es desarrollar y permitir determinar las variables más importantes para el diseño adecuado del sistema de drenaje, con un modelo numérico en 3D, con el fin de cuantificar el efecto del largo y espaciamiento de drenes horizontales en un talud. Se utiliza el software FLAC3D para estudiar el efecto de los drenes, bajo régimen permanente, en las tensiones efectivas del talud y en el factor de seguridad estático, utilizando el método de reducción de los parámetros de resistencia al corte. Se ha encontrado en la literatura (Teresik & Kealy, 1984) que la condición de borde que comúnmente es utilizada para representar el comportamiento de drenes, es considerar presiones de poros nula. Bajo esta condición, se ha observado que la distribución de carga hidráulica total no es representativa del fenómeno observado en el laboratorio (Kenney, 1977). Se concluye que solo cuando el dren posee una superficie libre, el comportamiento debe ser modelado con presión nula y cuando éste entra en presión (sin superficie libre, con presión hidráulica en su interior), la condición de borde adecuada es con caudales de extracción. Esto representa ambas formas en que los drenes responden disminuyendo las presiones de poros bajo diferentes gradientes de energía, siendo la condición de presiones de poros nula más efectiva que la de caudales. El parámetro que controla este comportamiento es el diámetro del dren, el cual debe ser diseñado teniendo como dato el caudal que debe ser evacuado. Las simulaciones numéricas con presión de poros nula realizadas permiten concluir que para el diseño del sistema de drenaje, las variables geométricas de largo, espaciamiento y diámetro deben ser abordadas como un conjunto, en donde el largo y espaciamiento especificados arrojan un caudal que debe ser conducido por un dren de diámetro adecuado para que trabaje como un canal y no como una tubería. Se obtiene un procedimiento de modelamiento de drenes validado el cual es aplicado en un talud del sur de Chile, en que sus parámetros de resistencia al corte han sido determinados. Para este talud se obtiene un gráfico que cuantifica el efecto que tienen los parámetros geométricos de drenes horizontales en la estabilidad del talud. Se obtiene que aumentar el largo del dren por sobre 10 m no aumenta considerablemente el factor de seguridad del talud. Por otro lado, el efecto del espaciamiento entre drenes es notorio cuando se trabaja con drenes más cortos. Se concluye que la utilización de drenes es una alternativa adecuada de mejoramiento de la estabilidad del talud.