i UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Tesis Análisis comparativo del comportamiento entre geomalla coextruida y geocelda GW20V para estabilización de talud en el sector Chuquicahuana, distrito Checacupe – Cusco, 2024 Asesor: Mg. Chávarry Morvelí, Daniel Autores: Condori Yupanqui, Alfredo Vargas Pacco, Wilix Sander Para optar el Título Profesional de: Ingeniero Civil Cusco – Cusco – Perú 2026 Portada ii Acta de sustentación iii Reporte de similitud iv Metadatos Datos del Autor Apellidos y Nombres : Condori Yupanqui, Alfredo Tipo de Documento de Identidad : DNI Número de Documento de Identidad : 48713262 URL ORCID : https://orcid.org/0009-0004-9008-8145 Apellidos y Nombres : Vargas Pacco, Wilix Sander Tipo de Documento de Identidad : DNI Número de Documento de Identidad : 46288519 URL ORCID : https://orcid.org/0009-0001-6328-1271 Datos del Asesor Apellidos y Nombres : Mg. Chávarry Morvelí Daniel Tipo de Documento de Identidad : DNI Número de Documento de Identidad : 40065144 URL ORCID : https://orcid.org/0009-0006-5550-8057 Datos de la Investigación Facultad : Ingeniería Escuela Profesional : Ingeniería civil Línea de Investigación : Gestión de la Infraestructura para el Desarrollo Sostenible Rango de años en que se realizó la investigación : Septiembre 2024 – enero 2026 Fuente de Financiamiento : Autofinanciado Porcentaje de Similitud : 8% URL de OCDE : https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.01.01 v Dedicatoria Dedicamos esta tesis a nuestros padres que desde pequeños nos formaron con valores y principios para ser mejores personas cada día, siempre nos orientaron con sabiduría, compartieron sin dudar todo el conocimiento y las experiencias que ellos tuvieron para enfrentar diferentes situaciones de la vida. vi Agradecimientos En primer lugar, expresamos nuestro agradecimiento al divino creador por avernos regalado la vida y todo lo que viene consigo: alegrías, llanto, tristeza, metas, retos. Y el don de convivir y en algunos casos superar cada una de estas emociones, seguidamente a nuestra gran familia universitaria, que lo consideramos como nuestro segundo hogar que nos acogió durante nuestra etapa de asimilación de conocimientos. vii Resumen La investigación tuvo como objetivo realizar un análisis comparativo técnico- económico entre la Geomalla Coextruida y la Geocelda GW20V para la estabilización del talud ubicado entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera CU-117 en el sector Chuquicahuana, Cusco. La metodología comprendió estudios de mecánica de suelos mediante tres calicatas para caracterizar el suelo granular predominante, seguido de un análisis de estabilidad con el software Geostru Slope aplicando el método de Janbu y los lineamientos de la norma CE.020. Se evaluaron las condiciones natural, estática y dinámica (sísmica) del talud, así como el desempeño con cada geosintético. Los resultados indicaron que ambos materiales incrementan el Factor de Seguridad por encima de los mínimos normativos (F.S. ≥1.50 estático; ≥1.25 dinámico). La Geocelda GW20V presentó un mejor desempeño técnico (F.S. 1.78 estático; 1.32 dinámico) debido a su confinamiento tridimensional y mayor redistribución de esfuerzos. Sin embargo, el análisis económico con el software Delphin Express mostró que la Geomalla Coextruida es 5% más económica. Se concluye que la Geocelda GW20V es la alternativa técnicamente óptima para maximizar la seguridad, especialmente sísmica, mientras que la Geomalla Coextruida representa la opción de menor costo, cumpliendo con los requisitos normativos y ofreciendo una solución costo- efectiva. Palabras claves: Geosintéticos, geomalla coextruida, geocelda GW20V, estabilidad de taludes, factor de seguridad. viii Abstract This research aimed to perform a technical-economic comparative analysis between Coextruded Geogrid and Geocell GW20V for stabilizing the slope located between stations km 161+956 and km 162+056 of the CU-117 road in the Chuquicahuana sector, Cusco. The methodology included soil mechanics studies through three test pits to characterize the predominant granular soil, followed by a stability analysis using Geostru Slope software, applying Janbu's method and the guidelines of the CE.020 standard. Natural, static, and dynamic (seismic) slope conditions, as well as the performance with each geosynthetic, were evaluated. The results indicated that both materials increase the Safety Factor above regulatory minimums (F.S. ≥1.50 static; ≥1.25 dynamic). Geocell GW20V showed better technical performance (F.S. 1.78 static; 1.32 dynamic) due to its three-dimensional confinement and better stress redistribution. However, the economic analysis using Delphin Express software showed that the Coextruded Geogrid is 5% more economical. It is concluded that Geocell GW20V is the technically optimal alternative for maximizing safety, especially seismic, while the Coextruded Geogrid represents the lower-cost option, meeting regulatory requirements and offering a cost-effective solution. Keywords: Geosynthetics, coextruded geogrid, geocell GW20V, slope stability factor of safety. ix Índice Portada .................................................................................................................................... i Acta de sustentación .............................................................................................................. ii Reporte de similitud ............................................................................................................. iii Metadatos ............................................................................................................................. iv Dedicatoria............................................................................................................................. v Agradecimientos ................................................................................................................... vi Resumen .............................................................................................................................. vii Abstract ............................................................................................................................... viii Índice .................................................................................................................................... ix Índice de tablas ..................................................................................................................... xi Índice de figuras ................................................................................................................. xiii Índice de anexo .................................................................................................................... xv I. Introducción ................................................................................................................ 16 II. Planteamiento del problema ................................................................................. 18 2.1. Descripción y formulación del problema .................................................... 22 2.2. Objetivos ...................................................................................................... 23 2.1.1. Objetivo general……………………………………………………23 2.1.2. Objetivos específicos………………………………………………23 2.3. Justificación e importancia .......................................................................... 24 2.4. Hipótesis ...................................................................................................... 26 2.5. Variables ...................................................................................................... 27 x III. Marco teórico ......................................................................................................... 29 3.1. Antecedentes ................................................................................................ 29 3.2. Bases teóricas .............................................................................................. 36 3.3. Definición de términos ................................................................................ 68 IV. Metodología ............................................................................................................ 73 4.1. Tipo y nivel de investigación ............................................................................ 73 4.2. Ámbito temporal y espacial .............................................................................. 74 4.3. Población y muestra ......................................................................................... 74 4.4. Instrumentos ..................................................................................................... 76 4.5. Procedimientos ................................................................................................. 81 4.6. Análisis de datos ............................................................................................... 84 4.7. Consideraciones éticas ...................................................................................... 85 V. Resultados y discusión ........................................................................................... 86 VI. Conclusiones ......................................................................................................... 126 VII. Recomendaciones ................................................................................................. 128 VIII. Referencias ....................................................................................................... 130 IX. Anexos ................................................................................................................... 135 xi Índice de tablas Tabla 1. Operacionalización de Variables .......................................................................... 28 Tabla 2. Coeficientes de seguridad para el análisis de estabilidad de taludes ................... 39 Tabla 3. Clasificación de Geocelda según el tamaño de las celdas .................................... 40 Tabla 4. Características Técnicas de la Geocelda GW20V................................................. 41 Tabla 5. Resultados de análisis granulométrico ................................................................. 88 Tabla 6. Resultados de ensayo de límites de consistencia ................................................. 89 Tabla 7. Resultados de ensayo de humedad ....................................................................... 90 Tabla 8. Resultados de ensayo peso especifico.................................................................. 91 Tabla 9. Resultado de ensayo corte directo........................................................................ 92 Tabla 10. Resumen de resultados de propiedades físicas del suelo ................................... 93 Tabla 11. Resumen de resultados propiedades mecánicas del suelo................................... 94 Tabla 12. Resumen de análisis descriptivo y estadístico de los ensayos ........................... 95 Tabla 13. Modelamiento en condición de su estado satura (γ) y seco (γ) .......................... 97 Tabla 14. Análisis de modelamiento por métodos en Geostru Slope................................. 98 Tabla 15. Resumen: Análisis comparativo por calicata en Condición del Talud. .............. 99 Tabla 16. Estadística Descriptiva por Condición del Talud por calicatas ........................ 100 Tabla 17. Resultado de Probabilidad de Falla y Confiabilidad de falla ........................... 101 Tabla 18. Resultado de parámetros dinámicos del suelo y su clasificación. ................... 102 Tabla 19. Parámetros Sísmicos del terreno del proyecto. ................................................ 103 Tabla 20. Propiedades mecánicas de las rocas ................................................................. 104 Tabla 21. Interpretación técnico modelamiento en estado natural del suelo ................... 107 Tabla 22. Interpretación del modelamiento estático con Geocelda GW20V. .................. 110 Tabla 23. Interpretación de modelamiento dinámico con Geocelda GW20V ................. 112 Tabla 24. Interpretación del modelamiento estático con Geomalla coextruida ............... 114 file:///D:/UTEA/TESIS/TESIS%20FINAL/Análisis%20comparativo%20del%20comportamiento%20entre%20geomalla%20coextruida%20y%20geocelda%20GW20V%20para%20estabilización%20de%20talud%20en%20el%20sector%20Chuquicahuana,%20distrito%20Checacupe%20–%20Cusco,%202024.docx%23_Toc219326370 xii Tabla 25. Interpretación de modelamiento dinámico - Geomalla Coextruída .................. 116 Tabla 26. Costo directo por sub – presupuesto Geocelda GW20V ................................. 118 Tabla 27. Costo específico de la Geocelda GW20V ........................................................ 118 Tabla 28. Resumen de costo – total Geocelda GW20V ................................................... 119 Tabla 29. Costo directo por sub – presupuesto Geomalla Coextruida ............................. 120 Tabla 30. Costo especifico de la Geomalla Coextruida ................................................... 120 Tabla 31. Resumen de costo – total Geomalla Coextruida .............................................. 121 Tabla 32. Comparativo entre Geomalla Coextruida y Geocelda GW20V ....................... 122 xiii Índice de figuras Figura 1. Deslizamiento de talud en el sector Chuquicahuana .......................................... 21 Figura 2. Geología Regional............................................................................................... 21 Figura 3. Partes de un talud ................................................................................................ 37 Figura 4. Nomenclatura de un Deslizamiento .................................................................... 38 Figura 5. Movimiento de masas ........................................................................................ 39 Figura 6. Apertura de Geocelda .......................................................................................... 41 Figura 7. Geomalla coextruida mono-orientadas .............................................................. 43 Figura 8. Geomalla Coextruida Bi-orientada .................................................................... 44 Figura 9. Factores que producen fallas de estabilidad de ladera y taludes ......................... 46 Figura 10. Tipos de fallas más comunes en taludes........................................................... 48 Figura 11. Representación gráfica del método de Janbu ................................................... 53 Figura 12. Planta y perfil del terreno natural ..................................................................... 58 Figura 13. Relación pendiente - área de la zona de estudio .............................................. 60 Figura 14. Contexto geológico regional ............................................................................ 62 Figura 15. Diagrama de Propagación de Ondas Sísmicas ................................................. 63 Figura 16. Propagación de Ondas P .................................................................................. 64 Figura 17. Propagación de las ondas S .............................................................................. 65 Figura 18. Ámbito temporal y espacial – Chuquicahuana ................................................ 74 Figura 19. Ubicación política general de la zona de estudio ............................................ 86 Figura 20. Estudio de las tres calicatas y estudio geofísico en situ .................................... 87 Figura 21. Proceso de modelación en el software Geostru Slope ..................................... 96 Figura 22. Perfil geosismico generalizado a partir de Vs. ............................................... 103 Figura 23. Modelamiento estático de talud en estado natural. ........................................ 105 Figura 24. Modelamiento dinámico de talud en estado natural........................................ 106 file:///D:/UTEA/TESIS/TESIS%20FINAL/Análisis%20comparativo%20del%20comportamiento%20entre%20geomalla%20coextruida%20y%20geocelda%20GW20V%20para%20estabilización%20de%20talud%20en%20el%20sector%20Chuquicahuana,%20distrito%20Checacupe%20–%20Cusco,%202024.docx%23_Toc219326403 file:///D:/UTEA/TESIS/TESIS%20FINAL/Análisis%20comparativo%20del%20comportamiento%20entre%20geomalla%20coextruida%20y%20geocelda%20GW20V%20para%20estabilización%20de%20talud%20en%20el%20sector%20Chuquicahuana,%20distrito%20Checacupe%20–%20Cusco,%202024.docx%23_Toc219326406 xiv Figura 25. Análisis de estabilidad estático con Geocelda GW20V ................................. 109 Figura 26. Análisis dinámico con Geocelda GW20V ..................................................... 111 figura 27. Análisis de estabilidad de talud con geomalla Coextruida. ............................. 113 Figura 28. Análisis dinámico con Geomalla coextruida ................................................... 115 xv Índice de anexo Anexo 1. Matriz de Consistencia ...................................................................................... 136 Anexo 2. Operacionalización de variables ....................................................................... 141 Anexo 3. Estudio geofísico .............................................................................................. 142 Anexo 4. Estudio de mecánica de suelos ......................................................................... 205 Anexo 5. Estudio topográfico ........................................................................................... 251 Anexo 6. Informe de modelamiento - Geostru Slope ....................................................... 269 Anexo 7. Análisis de costos y presupuestos ..................................................................... 301 Anexo 8. Planos de Investigación .................................................................................... 334 Anexo 9. Fotografías de ejecución de ensayos................................................................. 343 16 I. Introducción En la ingeniería civil, la estabilidad de taludes es uno de los aspectos más importantes, considerando las zonas andinas como escenarios críticos debido a las condiciones del terreno y las fuertes precipitaciones que favorecen la ocurrencia de deslizamientos. En zonas como Chuquicahuana, los desprendimientos de tierras afectan directamente a la red vial y la continuidad de tránsito, perjudicando a las comunidades que utilizan esta red. Por lo tanto, resulta elemental, en una primera instancia, brindar una introducción sobre la relevancia de abordar este problema y de analizar alternativas de solución óptima para el sector. Dentro de las opciones existentes, los geosintéticos se han utilizado como herramientas eficientes para reforzar los taludes y mejorar la conducta del suelo. En este escenario, la propuesta de investigación está enfocada en la evaluación de dos alternativas: Geomalla Coextruida y Geocelda GW20V, con el fin de determinar su pertinencia para la estabilización del talud entre las progresivas km 161+956 al km 162+056 de la carretera CU–117. Teniendo en cuenta los antecedentes mencionados, la presente investigación plantea una pregunta central: ¿Qué geosintético ofrece un mejor rendimiento técnico y económico en el proceso de estabilización del talud en el tramo señalado? A partir de eso, se estipularon una serie de objetivos sobre la base de los cuales conocer las condiciones del suelo, determinar el estado del talud y comparar el comportamiento logrado con la aplicación de cada una de las alternativas de refuerzo. En línea con este análisis, también se incluyó una 17 comparación económica para determinar la alternativa más rentable en términos de inversión y nivel de reposición. Esta introducción tiene como objetivo presentar al lector la relevancia del problema y el enfoque general del estudio antes de abordar los análisis específicos. De esta manera, se establece un contexto que hace posible la compresión del desarrollo técnico realizado en la composición. 18 II. Planteamiento del problema El problema del control de la erosión por lluvias intensas de los taludes alcanza una enorme relevancia en las áreas con un relieve accidentado y suelos poco cohesivos, donde se genera el peligro para la seguridad de las personas y las infraestructuras colindantes. Se pone de manifiesto, por ejemplo, en los países como Japón, Estados Unidos y Francia, donde las tormentas de lluvias fuertes han causado deslizamientos de tierra y bloqueos de ríos con grandes evacuaciones por la fuerza y la rapidez de estos fenómenos. (The Guardian, 2018) En el Perú, los deslizamientos de tierra han aumentado por la fuerte erosión causada por la lluvia, la topografía andina y la mala gestión del uso del suelo. Estos factores degradan las laderas, aumentan la pérdida de suelo y la inestabilidad de taludes, lo que afecta carreteras y asentamientos. Estudios recientes muestran que la intensidad y distribución de lluvias elevan el potencial de inestabilidad, lo que representa un problema importante para la gestión del riesgo y la planificación territorial (Gutierrez Lope & Sabino Rojas, 2022). En Cusco, Perú, la estabilización de taludes en un problema frecuente porque faltan cunetas de coronación durante la temporada de lluvias. Los tipos de erosión más comunes en la región son la erosión laminar y la erosión en surcos. La falta de plantaciones que protejan las laderas y el impacto de las gotas de lluvia aumentan el riesgo de deslizamiento de tierra y pérdida de suelo. Para reducir este problema, se recomienda sembrar barreras vivas, construir terrazas y proteger las laderas con plantaciones (Gobierno Regional Cusco, 2023). 19 El talud que se analiza está en Chuquicahuana, en el distrito de Checacupe, provincia de Canchis, departamento de Cusco. En la temporada de lluvias, ocurren derrumbes frecuentes, lo que es un problema porque está en una vía principal en el kilómetro 163+000. Estos deslizamientos interrumpen la comunicación con las comunidades que dependen de la carretera, que va desde el puente Chuquicahuana en la ruta CU-117, conecta con la PE-3S (Cusco) y llega a Occopata, Yaurisque, Abra Ranraccasa, Paruro, Dv. Cusibamba, Dv. Colcha, Accha, Pillpinto, Acos, Acomayo, Sangarara y vuelve a conectar con la PE-3S en Chuquicahuana. En el pasado, la estabilización de taludes se realizaba principalmente con métodos tradicionales como muros de contención, terrazas, anclajes, drenajes profundos, concreto lanzado y estructuras rígidas de soporte. Aunque estos métodos son efectivos, suelen ser costosos, requieren mucha intervención en el terreno y a menudo alteran el entorno natural. Hoy en día, la ingeniería ha adoptado soluciones más flexibles y eficientes usando geosintéticos, que refuerzan el suelo, mejoran su comportamiento mecánico y aumentan la estabilidad del talud sin necesidad de estructuras pesadas o invasivas. Entre estos materiales, la Geomalla Coextruida y la Geocelda GW20V destacan por sus propiedades y usos específicos. La geomalla refuerza el suelo en dos direcciones, mejora la resistencia al corte gracias al interlock y ayuda a aumentar el factor de seguridad del talud al interceptar posibles superficies de falla. En cambio, la Geocelda GW20V estabiliza el terreno al confinar el suelo en tres dimensiones, controla la erosión y distribuye las cargas de forma uniforme. Ambas ofrecen ventajas como instalación rápida, alta durabilidad, buena relación costo-beneficio y adaptabilidad a terrenos irregulares. Sin embargo, cada una refuerza el suelo de manera diferente y su rendimiento depende del tipo de falla y de las características del lugar. 20 El Ministerio de Transporte y Comunicaciones, a través de PROVIAS Nacional y las empresas concesionarias, atendió 1,201 emergencias causadas por huaicos, deslizamientos, derrumbes y erosiones en distritos de 138 provincias de 22 departamentos. Estos eventos aislaron a varias poblaciones y afectaron el transporte y los medios de vida. Para responder, se usó maquinaria pesada y personal técnico capacitado para restablecer el tránsito y manejar las emergencias de manera adecuada (INDECI, 2023). La región Cusco tiene una geodinámica activa debido a su topografía compleja, clima variable y diferentes condiciones geológicas. Estas características hacen que ocurran con frecuencia movimientos de masa, como deslizamientos, derrumbes y caídas de rocas, que afectan directamente a los centros poblados, las carreteras y las áreas agrícolas. Por eso, el Instituto Geológico, Minero y Metalúrgico del Perú (INGEMMET) ha realizado varios estudios para identificar y evaluar las zonas más vulnerables a estos fenómenos (Vilchez M., 2015). El análisis de antecedentes internacionales, nacionales y regionales muestra que, durante el periodo de que se realizaron las investigaciones, sigue existiendo una brecha de conocimientos sobre el análisis comparativo entre la geomalla coextruida y la Geocelda GW20V para la estabilización de taludes. Aunque hay estudios que demuestran la efectividad individual de estos geosintéticos, la mayoría de hicieron en contextos geológicos diferentes y se enfocaron en aumentar el factor de seguridad, sin realizar un análisis técnico y económico comparativo completo. Además, a nivel regional y local, no hay investigaciones que evalúen el desempeño de ambos sistemas ante fallas traslacionales en suelos granulares según los criterios de norma CE.020. Esto justifica la necesidad de la presente investigación. 21 Figura 1. Deslizamiento de talud en el sector Chuquicahuana Nota. Zona de estudio del proyecto de investigación. Figura 2. Geología Regional Nota. Adaptado de Estudio de estabilidad de taludes (p.11) por Jefferson Chara, 2025. 22 2.1. Descripción y formulación del problema 2.1.1. Problema general - ¿Qué Geosintético en términos técnicos - económicos es el más recomendable entre Geomalla Coextruida y Geocelda GW20V, para la estabilización de talud entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024? 2.1.2. Problemas específicos - P.E.1. ¿Qué propiedades mecánicas presenta el talud natural antes de la estabilización con Geomalla Coextruida y Geocelda GW20V, entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024? - P.E.2. ¿Cuál es el factor de seguridad natural según la norma CE.020 (Estabilización de suelos y taludes), del talud existente entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024? - P.E.3. ¿Al usar Geocelda GW20V para la estabilización de taludes cuanto será el F.S. (factor de seguridad) según la norma CE.020 (Estabilización de suelos y taludes), entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024? - P.E.4. ¿Al usar Geomalla Coextruida para la estabilización de taludes cuanto será el FS según la norma CE.020 (Estabilización de suelos y taludes), entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024? - P.E.5. ¿Cuál de los dos Geosintéticos propuestos para la estabilización de taludes es más económico entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024? 23 2.2. Objetivos 2.2.1. Objetivo general - Evaluar el Geosintético en términos técnicos - económicos, cual es más recomendable entre Geomalla Coextruida y Geocelda GW20V, para la estabilización de talud entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024. 2.2.2. Objetivos específicos - O.E.1. Verificar las propiedades mecánicas que presenta el talud natural antes de la estabilización con Geomalla Coextruida y Geocelda GW20V, entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024. - O.E.2. Verificar el factor de seguridad natural según la norma CE.020 (Estabilización de suelos y taludes), del talud existente entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024. - O.E.3. Evaluar la Geocelda GW20V para la estabilización de taludes cuanto será el F.S. según la norma CE.020 (Estabilización de suelos y taludes), entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024. - O.E.4. Evaluar la Geomalla Coextruida para la estabilización de taludes cuanto será el FS según la norma CE.020 (Estabilización de suelos y taludes), entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - 24 ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024. - O.E.5. Comparar los Geosintéticos propuestos para la estabilización de taludes, cual es más económico entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024. 2.3. Justificación e importancia 2.3.1. Justificación teórica Esta investigación tiene una justificación teórica porque permite comprobar los fundamentos de la mecánica de suelos y la teoría de estabilidad de taludes basadas en el equilibrio límite. Se utiliza el método de Janbu para analizar superficies de falla no circulares en suelos granulares. Además, se verifica si los criterios de la norma CE.020 para evaluar el factor de seguridad en condiciones estáticas y pseudoestáticas se cumplen al comparar estos casos con la aplicación de sistemas de refuerzo con geosintéticos. De igual forma, este estudio permite comparar y, si corresponde, cuestionar algunos postulados teóricos que consideran que los sistemas de refuerzo bidimensionales (geomallas) y tridimensionales (geoceldas) tienen el mismo desempeño. Los resultados muestran que su comportamiento estructural varía según las condiciones geotécnicas, el tipo de falla principal y el mecanismo de interacción entre el suelo y el refuerzo. En conclusión, esta investigación aporta conocimiento teórico al realizar un análisis comparativo entre la Geomalla Coextruida y la Geocelda GW20V. Se consideró no solo el aumento del factor de seguridad, sino también el comportamiento mecánico del talud y la eficiencia técnica y económica. 25 2.3.2. Justificación metodológica La investigación tiene justificación metodológica porque ofrece un procedimiento sistemático y replicable para comparar la estabilidad de taludes reforzados con geosintéticos, usando un enfoque no experimental. Además, utiliza instrumentos técnicos validados, como ensayos de laboratorio, levantamiento topográfico, estudios geofísicos y modelación numérica con el software Geostru Slope, junto con el análisis económico en Delphin Express. Esta metodología asegura resultados objetivos, confiables y útiles para condiciones geotécnicas similares. 2.3.3. Justificación técnica Esta investigación ofrecerá información detallada sobre las potencialidades y capacidades técnicas de los materiales Geomalla Coextruida y Geocelda GW20V, así como datos de campo del estudio de suelos de talud para su estabilización. Al comparar estos materiales, se podrán optimizar los diseños de infraestructuras y mejorar la seguridad, durabilidad y la eficiencia económica en los proyectos de estabilización de taludes. 2.3.4. Justificación social Comparar el uso de la Geomalla Coextruida y la Geocelda GW20V para estabilizar taludes tiene implicaciones técnicas, económicas y sociales. Este estudio busca ofrecer soluciones que mejoren la seguridad pública y protejan la infraestructura vial, para lograr un bienestar social más amplio y duradero. 2.3.5. Justificación por viabilidad La viabilidad del proyecto que compara el uso de Geomalla Coextruida y Geocelda GW20V para estabilizar taludes depende de contar con los recursos técnicos, económicos y operativos necesarios, así como de un cronograma claro. Los resultados de este estudio serán útiles para futuros proyectos de estabilización de taludes. 26 2.4. Hipótesis 2.4.1. Hipótesis general - La Geocelda GW20V presenta un mejor desempeño que la Geomalla Coextruida en la estabilización del talud, considerando el factor de seguridad y el costo económico, para la estabilización de talud entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024. 2.4.2. Hipótesis especificas - H.E.1. El talud natural presenta propiedades mecánicas que no cumplen con los parámetros mínimos requeridos para garantizar su estabilidad sin el uso de Geosintéticos, lo cual, se necesitará estabilizar mediante Geomalla Coextruida o Geocelda GW20V entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, Distrito de Checacupe – Cusco, 2024. - H.E.2. El factor de seguridad natural del talud existente es inferior a 1.5 del coeficiente estático e inferior a 1.25 del coeficiente dinámico, indicando un alto riesgo de deslizamiento sin la estabilización adecuada con Geosintéticos para la estabilización del talud entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024. - H.E.3. El uso de Geocelda GW20V incrementa el factor de seguridad del talud a un valor superior a 1.5 del coeficiente estático y a un valor superior a 1.25 del coeficiente dinámico, cumpliendo con la norma CE.020 (Estabilización de suelos y taludes) para la estabilidad del talud, entre las progresivas km 161+956 hasta km 27 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024. - H.E.4. La utilización de Geomalla Coextruida incrementa el factor de seguridad del talud a un valor superior a 1.5 del coeficiente estático y un valor superior a 1.25 del coeficiente dinámico, en conformidad con la norma CE.020 (Estabilización de suelos y taludes), para la estabilización del talud entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024. - H.E.5. Existe una diferencia significativa en el costo de estabilización del talud entre el uso de Geomalla Coextruida y Geocelda GW20V para la estabilización del talud entre las progresivas km 161+956 hasta km 162+056 de la carretera Red Departamental - ruta CU – 117 en el sector de Chuquicahuana, en el Distrito de Checacupe – Cusco, 2024. 2.5. Variables - Variables independientes: El tipo de geosintético usado para estabilizar el talud incluye la Geomalla Coextruida y la Geocelda GW20V. Sus características estructurales afectan el comportamiento mecánico del suelo. - Variables dependientes: El factor de seguridad (F.S.) de talud es el parámetro principal para medir su estabilidad. Se obtiene a través de análisis estático y dinámico. Este índice muestra directamente el nivel de seguridad y estabilidad según el tipo de geosintético usado como refuerzo: Geomalla Coextruida o Geocelda GW20V. 28 Tabla 1. Operacionalización de Variables Variable Definición conceptual Definición operacional Dimensiones Indicadores Unidad de medida Escala de medición Variable Independiente: Geosintéticos Producto polimérico usado en ingeniería para mejorar suelos mediante refuerzo, separación, filtración, drenaje o barrera hidráulica (Abramson, 2002) Elección del material de refuerzo entre dos alternativas específicas para su modelación e implementación en el diseño de estabilización. Geomalla Coextruida Configuración estructural (Bidimensional - 2D) - Nominal Mecanismo de refuerzo (Tracción) kg/cm Razón Tipo de polímero (Polipropileno - PP) - Nominal Geocelda GW20V Configuración estructural (Tridimensional - 3D) - Nominal Mecanismo de refuerzo (Confinamiento celular) kg/cm Razón Tipo de polímero (HDPE) Nominal Variable Dependiente: Factor de Seguridad (F.S.) El factor de seguridad es la relación entre la resistencia al corte disponible y el esfuerzo cortante movilizado en el suelo para prevenir la falla. (Braja M., Principles of Foundation Engineering, 2011) Valor calculado que cuantifica el nivel de estabilidad del talud bajo diferentes condiciones de análisis, tras la incorporación de cada geosintético. Estabilidad Estática Factor de Seguridad (F.S. ≥ 1.50) Razón Estabilidad Dinámica Factor de Seguridad (F.S. ≥ 1.25) Razón Coeficientes sísmicos aplicados (kₕ, kᵥ) - Nominal Comportamiento del Sistema Reforzado Tipo de superficie de falla crítica identificada kg/cm2 Razón Costo Costo directo Gastos generales Soles (s/) Soles (s/) Razón Razón 29 III. Marco teórico 3.1. Antecedentes 3.1.1. A nivel internacional (Jimbo Yépez & Mesa Lavista, 2022) Desarrollaron la investigación “Modelación computacional para la estabilización de un terraplén reforzado con geomallas”. El objetivo de este estudio fue crear un modelo computacional para evaluar y mejorar la estabilidad de un terraplén ubicado en el kilómetro 12 de la vía a Daule, en Guayaquil, Ecuador. Se realizo un análisis de estabilidad usando modelación numérica con el software GeoStudio (módulo Slope/W) y el método de equilibrio límite de Morgenstern-Price. El terraplén fue el objeto de estudio y se caracterizó a través de un estudio geotécnico que incluyó sondeos y pruebas de laboratorio para determinar los parámetros de suelo, como grava arcillosa y arcilla blanda. Se calcularon los factores de seguridad (FS) en condiciones estáticas y dinámicas, considerando la sismicidad, y se diseño un refuerzo con geomallas biaxiales Fortgrid. Los resultados iniciales mostraron que el terraplén era inestable (FS=0.664 en estático y FA=0.602 en dinámico). Sim embargo después de instalar las geomallas, el FS aumento en 1.590 en estático y 1.651 en dinámico, cumpliendo con las normas. Se concluye que reforzar el terraplén con geomallas es una solución técnica y económica que mejora la seguridad y reduce los asentamientos diferenciales. (Torres Peña, 2021) Desarrolla la investigación “Evaluación experimental del efecto de disipación de esfuerzos producido por geoceldas sobre suelos blandos”, Trabajo de grado 30 de maestría en la Universidad Nacional de Colombia; el objetivo fue evaluar cómo las geoceldas de polietileno de alta densidad (HDPE) ayudan a disipar esfuerzos en suelos blandos, mediante un enfoque aplicativo y descriptivo. Se usaron modelos de laboratorio, con ensayos de carga en arcilla y bloques de EPS de distintas densidades, junto con modelos numéricos en elementos finitos usando PLAXIS 2D. Los resultados mostraron que la capacidad portante del sistema con geocelda fue entre 1.45 y 2.45 veces mayor que sin refuerzo, y el módulo de elasticidad de la capa granular mejoró entre 1.25 y 2.8 veces. Se concluye que las geoceldas son más efectivas en subrasantes muy blandas, donde se lograron las mayores mejoras en rigidez, resistencia y reducción de asentamientos. (Marín, Oyola, Ordoñez, & Aguirre, 2020) Realizaron el artículo científico “Aplicación de programas analíticos e informáticos sobre estabilización de taludes en el cerro pata grande del cantón Piñas” Investigación realizada para Universidad Técnica de Machala, Ecuador; el objetivo de este estudio fue analizar tres opciones para estabilizar taludes en el Cerro Pata Grande, junto al hospital Luis Moscoso Zambrano en Piñas, Ecuador, y así determinar la solución más adecuada. Se usó una metodología aplicada que incluyó revisión bibliográfica, trabajo de campo con perforaciones y pruebas geotécnicas (compresión simple, granulometría y límites de Atterberg), modelado topográfico con Global Mapper y Civil 3D, y análisis de estabilidad estática con Geo-Slope usando los métodos de Fellenius, Bishop, Janbu, Morgenstern-Price y Spencer. Los resultados mostraron que construir bermas es la opción más viable desde el punto de vista técnico y económico, ya que los factores de seguridad superan 1.50 según la normativa ecuatoriana, aunque se detectó erosión superficial por lluvias. Se concluye que el talud es estable, pero es necesario implementar bermas con pendiente 0.8H:1V, un sistema de drenaje superficial e hidrosiembra para controlar la erosión y proteger el área del hospital. 31 (Hernández Chaverra & Tamayo Ruiz, 2019) Desarrollaron la investigación “Análisis de estabilidad del talud y obras de contención necesarias para el diseño y construcción de una vía de orden secundario en el municipio De Dabeiba – Antioquia”, Trabajo de grado para obtener el título profesional de ingeniero civil en la Universidad Cooperativa de Colombia; el objetivo de este estudio fue diseñar una vía secundaria en Dabeiba (Antioquia) a partir del análisis de estabilidad de taludes y el diseño del pavimento. Para ello, se realizó una investigación aplicada que incluyó la recolección de datos geotécnicos, ensayos de laboratorio para determinar la resistencia del suelo y el modelado de estabilidad con el software Slide® usando métodos de equilibrio límite. Los resultados mostraron que dos de los tres perfiles analizados eran estables, pero el perfil 3 necesitó obras de contención, como un muro con pilas y anclajes, para lograr factores de seguridad adecuados. También se diseñó el pavimento flexible con el método AASHTO 93. Se concluye que, con las obras de estabilización propuestas, es posible construir una vía segura y funcional para un periodo de diseño de 10 años. (Pineda Ruiz, 2019) Realizó una investigación denominada: “Evaluación geológica, geomecánica y consideraciones para el prediseño de la estabilidad del talud del Santuario Blanca Estrella del Mar en el cerro de Olón, Santa Elena-Ecuador”. Tesis para obtener el título profesional de ingeniero en geología en la Escuela Superior Politécnica del Litoral de Ecuador; Esta tesis evaluó la estabilidad geomecánica del acantilado donde se encuentra el Santuario Blanca Estrella del Mar en Olón, Ecuador, con el fin de proponer un prediseño de estabilización. El estudio fue de tipo aplicado y descriptivo-analítico. La metodología se dividió en cuatro fases: recopilación de información, trabajo de campo (geología, geofísica con SEV y tomografía, y fotogrametría con dron), caracterización geomecánica usando las clasificaciones RMR, SMR y CSMR, y evaluación de la susceptibilidad al desprendimiento y del factor de seguridad con el método de Morgenstern-Price. Los resultados mostraron que 32 el macizo rocoso tiene una calidad de media a baja, una susceptibilidad al desprendimiento de muy alta a alta y factores de seguridad críticos (por ejemplo, 0.907), lo que confirma su inestabilidad. Se concluye que la infiltración de agua y la geometría del talud son factores clave, y se recomienda de manera urgente implementar un sistema integral de estabilización que contemple anclajes, drenaje y hormigón proyectado. 3.1.2. A nivel nacional (Flores Esteban, 2023) Desarrolló un trabajo de investigación titulado “Evaluación del empleo de las geoceldas para la estabilización de taludes”, Tesis para obtener el título profesional de ingeniero civil en la Universidad Peruana lo Andes; el objetivo de este estudio fue evaluar cómo las geoceldas ayudan a estabilizar taludes en la carretera Quichuas- Mayocc, en Huancavelica. Se llevó a cabo una investigación aplicada, de nivel correlacional y diseño experimental, usando el software SLIDE para modelar taludes reforzados con geoceldas de distintos tamaños y longitudes de malla. Los resultados mostraron que las geoceldas aumentan de manera significativa los factores de seguridad estático y pseudo- estático, superando los valores mínimos requeridos. Las celdas grandes de 475 mm x 508 mm y 13.5 m de longitud ofrecieron los mejores resultados. En conclusión, las geoceldas son una solución eficaz para estabilizar taludes en suelos tipo GM. (Carrera Rojas, 2022) Desarrolló un trabajo de investigación titulado “Análisis comparativo de la influencia del sistema Geoceldas Step con la aplicación de métodos Bishop, Janbú en los parámetros de la estabilización de taludes en la represa Gallito Ciego – Cajamarca, 2022”, Tesis para obtener el título profesional de ingeniero civil en la Universidad Privada de Norte; el objetivo de este estudio fue comparar el sistema Geoceldas Step con los métodos Bishop y Janbú y con el sistema tradicional, evaluando costos, tiempo e impacto ambiental en la estabilización de taludes de la represa Gallito Ciego (Cajamarca, 2022). Se utilizó una metodología comparativa, cuantitativa, no experimental y explicativa. 33 Los resultados muestran que el método Janbú es más preciso (FS=1.34) y que el sistema Geoceldas reduce los costos en un 34%, el tiempo de instalación entre 25 y 30%, y disminuye el impacto ambiental en comparación con el método tradicional. Se concluye que las Geoceldas Step son una opción técnica y económica más eficiente para estabilizar taludes en proyectos de infraestructura hidráulica. (Quispe Astete, 2020) Desarrolló un trabajo de investigación titulado “Análisis de las condiciones de estabilidad física para sistemas de cobertura con geosintético en el cierre de minas”, Tesis para obtener el título profesional de ingeniero civil en la Universidad Nacional de Ingenierías; el objetivo del estudio fue proponer criterios y herramientas gráficas para diseñar y analizar la estabilidad física de sistemas de cobertura con geosintéticos, como geomembranas y GCL, en el cierre de depósitos mineros. Se usó una metodología aplicada que combinó ensayos de corte directo a gran escala en laboratorio para caracterizar la resistencia de las interfaces, junto con análisis paramétricos determinísticos y probabilísticos mediante simulación Monte Carlo en diferentes condiciones de servicio. Los resultados principales incluyeron parámetros de resistencia para las interfaces críticas, así como matrices de condiciones de estabilidad y ábacos de diseño basados en índices de confiabilidad. Se concluye que estas herramientas facilitan un diseño preliminar más eficiente y confiable de coberturas con geosintéticos en proyectos mineros. (Porras Zamora, 2021) Desarrolló un trabajo de investigación titulado “La estabilidad de talud en la vía Moyaccasa – Pulcay con Geoceldas como alternativa de estabilización distrito Huaccana, Chincheros, Apurímac 2021”, Tesis para obtener el título profesional de ingeniero civil en la Universidad César Vallejo – Lima; el objetivo de este estudio fue identificar las ventajas de las geoceldas como alternativa para estabilizar el talud inestable en la vía Moyaccasa-Pulcay (progresiva 12+100 a 12+180) y así asegurar su transitabilidad. Se realizó una investigación tecnológica de tipo descriptivo-explicativo y 34 diseño no experimental, utilizando el software Slope (v.2018) para analizar la estabilidad con métodos de equilibrio límite, junto con estudios topográficos y geotécnicos de campo y laboratorio. Los resultados indicaron que el talud en su estado natural tenía factores de seguridad (FS=1.21 estático; 1.01 pseudoestático) por debajo de lo exigido por la norma RNE CE.020. Al aplicar muros de gravedad de geoceldas, los valores de FS aumentaron a 1.59 (estático) y 1.27 (pseudoestático), cumpliendo con la normativa. Se concluye que las geoceldas son una solución ventajosa, económica, fácil de instalar y duradera, efectiva para estabilizar el talud crítico y mantener la transitabilidad de la vía. (Vergara Flores, 2018) Desarrolló la tesis “Estabilización de talud por tres métodos: gaviones, Geomalla y muro de contención en el centro poblado San Juanito Alto distrito de Guadalupito - Virú – La Libertad”, Tesis para obtener el título profesional de ingeniero civil en la Universidad San Pedro – Chimbote; el objetivo de esta tesis fue encontrar la mejor opción para estabilizar los taludes en el Centro Poblado San Juanito Alto (La Libertad, Perú), comparando tres métodos: gaviones, geomalla y muro de contención. El estudio fue de tipo aplicativo y se realizó en campo, con levantamiento topográfico, calicatas para analizar el suelo y un análisis geotécnico, seguido por el diseño y cálculo de cada alternativa. Los resultados indicaron que la geomalla tuvo el costo directo más alto (S/. 311,343.38), pero brinda mayor estabilidad y beneficios ambientales. El muro de contención resultó ser la opción más económica (S/. 173,779.28) y los gaviones tuvieron un costo intermedio (S/. 279,005.02). Se concluye que la geomalla es la opción más segura y sostenible para las zonas con mayor pendiente y riesgo, mientras que en áreas con suficiente espacio, los muros o gaviones pueden ser alternativas viables por su menor costo. 3.1.3. A nivel regional y local (Cabrera Ubillus & Falcon Hurtado, 2019) "Diseño de un muro de suelo reforzado por problemas de inestabilidad de taludes en el tramo km 163+960 al km 164+024 IIRSA 35 sur tramo 2 - Cusco, 2019", Tesis para obtener el título profesional de ingeniero civil en la Universidad César Vallejo – Lima; el objetivo de este estudio fue diseñar un muro de suelo reforzado para solucionar problemas de inestabilidad de taludes en el tramo km 163+960 al 164+024 de la IIRSA Sur, Cusco. Se utilizó una metodología aplicada, con un enfoque cuantitativo, nivel explicativo y un diseño no experimental y transversal. Con base en estudios geotécnicos previos (suelos SP-SM, φ = 32°, γ = 1.83 t/m³), se realizó el prediseño y modelado en el software MACSTAR2000, verificando la estabilidad global, el deslizamiento, el vuelco y la capacidad portante según las normativas FHWA-NHI-10-024 y RNE E030. Los resultados mostraron factores de seguridad superiores a los mínimos requeridos tanto en condiciones estáticas como sísmicas. Se concluye que el diseño es técnicamente viable, cumple con los parámetros normativos para prevenir deslizamientos y que las características geotécnicas del suelo son clave para el dimensionamiento y refuerzo de la estructura. El presupuesto estimado para la ejecución fue de S/ 472,270.27. (Rosales Pillco, 2018) "Análisis de la variabilidad de costos unitarios en los métodos de estabilización de talud del tramo km 244+300 – km 244+500 de la carretera interoceánica, distrito de Camanti, provincia de Quispicanchi - Cusco ", Tesis para obtener el título profesional de ingeniero civil en la Universidad Alas Peruanas – Cusco; el objetivo fue estudiar cómo varían los costos unitarios de diferentes métodos para estabilizar taludes en el tramo km 244+300 a 244+500 de la Carretera Interoceánica Sur en Cusco, Perú. Usando un enfoque descriptivo-correlacional y no experimental, se evaluó la estabilidad con el software Slide de Rocscience y se compararon los métodos de anclajes, pilotes, muros de contención y banquetas. Los resultados muestran que los anclajes ofrecen el mayor factor de seguridad (≥1.5) y el costo directo más bajo (US$ 25,258.49), por lo que son la opción más viable tanto técnica como económicamente. Se concluye que, en este sector, los anclajes 36 priorizan la seguridad y la rentabilidad. Se recomienda evaluar al menos tres alternativas, prestando especial atención al análisis económico. 3.2. Bases teóricas 3.2.1. Talud El talud es la pendiente que se diseña para el terreno lateral de una carretera, ya sea en zonas de corte o de terraplén. Se define como la tangente del ángulo entre la superficie del terreno y una línea horizontal teórica. En los tramos en corte, la forma del talud depende de las propiedades del suelo o de la roca, la altura y las condiciones de drenaje, tanto superficial como subterráneo. Estos factores deben analizarse con estudios geotécnicos y geológicos. Es importante considerar estos aspectos para asegurar la estabilidad del talud, sobre todo en áreas con materiales inestables o fallas, y así elegir el diseño más adecuado ([MTC], 2018). Partes de un Talud La forma y estabilidad de un talud dependen de identificar con precisión sus componentes geométricos y geotécnicos principales. Estos elementos no solo definen su morfología, sino que determinan su comportamiento mecánico y el nivel de riesgo de fallas, como deslizamientos o vuelcos. Las partes esenciales a analizar son la base, la cima, la altura total, la altura del nivel freático y el ángulo de la pendiente. Una correcta caracterización de estos factores permite evaluar la resistencia del suelo o roca, la presión de poros y las fuerzas actuantes, fundamentales para cualquier diseño o intervención de estabilización (Hernández Chaverra & Tamayo Ruiz, 2019). 37 Figura 3. Partes de un talud Nota. Adaptado de Análisis De Estabilidad Del Talud Y Obras De Contención Necesarias Para El Diseño Y Construcción De Una Vía De Orden Secundario En El Municipio De Dabeiba-Antioquia (p. 10) por A. Hernández; Y. Tamayo, 2019. 38 Figura 4. Nomenclatura de un Deslizamiento Nota. Adaptado de Deslizamientos Y Estabilidad De Taludes En Zonas Tropicales (p. 3) por J. Suarez, 1998, Ingeniería de Suelos Ltda. Editorial. 3.2.2. Clasificación de los movimientos en masa Los movimientos en masa son procesos geodinámicos, lentos o rápidos, donde el suelo, la roca o ambos se desplazan cuesta abajo por la fuerza de gravedad. Este proceso se agrava por agentes erosivos, especialmente el agua, que al infiltrarse reduce la resistencia del material y disminuye su estabilidad. La combinación de gravedad y agua provoca deslizamientos, flujos o reptaciones, lo que representa un riesgo geotécnico importante en laderas y taludes, sobre todo en zonas con lluvias intensas o suelos saturados, en la Figura 5 que se presenta ocho clasificaciones de movimientos de masa y una breve descripción de cada una de ellas, la clasificación que corresponde a nuestro estudio es el deslizamiento, debido principalmente al tipos de suelo que se presenta en el sector Chuquicahuana (John Soto, 2011). 39 Figura 5. Movimiento de masas Nota. Adaptado de Protección Y Estabilización De Taludes Para Evitar Deslizamientos (p. 8-15) por J. John Soto, 2011. Tabla 2. Coeficientes de seguridad para el análisis de estabilidad de taludes Normativa Talud temporal Talud permanente Estática Sísmica Estática Sísmica AASHTO LRFD 1.33 – 4.53 1.1 1.33 – 1.53 1.1 NAVTAC-DM7 1.30 – 1.25 1.20 – 1.15 1.5 1.20 – 1.15 FHWA-NHI-11-0.32 - 1.1 - 1.1 CE.020 - - 1.5 1.25 Nota. Fuente (Valiente Sanz, Sobrecases Martí, & Diaz Orrego, 2016) 40 3.2.3. Geocelda Una geocelda es una estructura modular tridimensional hecha de tiras de polietileno de alta densidad (PEAD) texturizadas y perforadas, unidas para formar una red de celdas conectadas. Cuando se llena con suelo, agregados, hormigón u otros materiales, ayuda a mantener el relleno en su lugar y mejora su resistencia y estabilidad. Se usa en aplicaciones geotécnicas como soporte de carga, protección de taludes y canales, y muros de contención. Es una alternativa eficiente, duradera y sustentable a los métodos tradicionales (Presto GeoSystems, 2020). Tabla 3. Clasificación de Geocelda según el tamaño de las celdas Denominación Celda pequeña (GW20V) Celda mediana (GW30V) Celda grande (GW40V) Longitud nominal 224 x 259 mm 287 x 320 mm 267 x 330 mm 475 x 508 mm Área nominal 289 cm2 460 cm2 440 cm2 1206 cm2 Celda por m2 34.6 21.7 N/A 8.3 Profundidades nominales 75 mm (3”), 100 mm (4”), 150 mm (6”) y 200 mm (8”) para todas las celdas Nota. Adaptado de Sistema de Estabilización de Suelos (p. 11) por PRESTO GEOSYSTEMS, 2020. El proceso constructivo comienza preparando y compactando la superficie del talud, quitando la vegetación y los materiales sueltos. Después, se despliegan las secciones GEOWEB® sobre el talud, se expanden, se alinean y se conectan con las llaves ATRA®. Estas se fijan al terreno con anclajes o tendones ATRA®, sobre todo en pendientes pronunciadas. Luego, se rellenan las celdas con el material elegido, como tierra vegetal, agregado o concreto, en capas que se compactan poco a poco para asegurar la estabilidad. Al final, se revisa que todo esté uniforme y se hacen los acabados para facilitar el crecimiento de la vegetación o proteger contra la erosión (Presto GeoSystems, 2020). 41 Figura 6. Apertura de Geocelda Nota. Tomado de Sistema de Estabilización de Suelos (p. 11) por PRESTO GEOSYSTEMS, 2020. Tabla 4. Características Técnicas de la Geocelda GW20V Parámetro Característica Unidad Valor Identificación Modelo comercial GEOWEB GW20V Material Base Tipos de polímero PEAD (Polímero de alta densidad) Apertura de Celda Área nominal (Área de confinamiento) Cm2 289 Altura de Celda Altura de Confinamiento (a utilizar) mm 150 Resistencia de la soldadura Resistencia Mínima Típica N 1400 Estructura Configuración Celular Tridimensional (3D) Nota. Los datos de material base y área nominal provienen de Sistema de Estabilización de Suelos (p. 11) por PRESTO GEOSYSTEMS, 2020. Las alturas o profundidades de las celdas son variables, en este caso se está especificando el que se empleara en la investigación. 42 3.2.4. Geomalla coextruida La geomalla coextruida es un material geosintético de refuerzo que forma parte de la familia de las geomallas. Se fabrica al extruir al mismo tiempo dos o más polímeros, como el polipropileno o el polietileno. Gracias a este proceso, la geomalla tiene una estructura plana con aberturas regulares y una alta resistencia a la tracción en sus principales direcciones. A diferencia de los geotextiles, su función principal es reforzar el terreno, mejorando la capacidad de carga y la estabilidad de taludes, terraplenes y muros de contención. La coextrusión permite unir las propiedades de distintos materiales, lo que mejora su durabilidad, resistencia química y comportamiento mecánico. Por eso, es especialmente útil en obras de ingeniería civil que necesitan materiales muy resistentes y con poca deformación a largo plazo (Ballester, Castro, & Gil, 2000). Geomallas coextruida mono-orientadas Las geomallas Coextruida mono-orientadas son materiales geosintéticos bidimensionales fabricados en polietileno de alta densidad (HDPE) mediante un proceso de extrusión y estiramiento unidireccional, que les otorga una estructura monolítica con aberturas elípticas para lograr una óptima trabazón con suelos granulares. Su principal característica es su elevada resistencia a la tracción en la dirección longitudinal, alcanzando capacidades de hasta aproximadamente 160 kN/m, junto con un alto módulo de rigidez. Además, son químicamente inertes y biológicamente resistentes, lo que asegura su durabilidad en condiciones ambientales adversas. En aplicación, funcionan análogamente al acero en el hormigón armado: mientras la geomalla absorbe los esfuerzos de tensión, el suelo soporta las compresiones, conformando así un sistema compuesto de suelo reforzado eficiente para muros de contención, terraplenes y diversas estructuras de estabilización geotécnica (Geosistemas PAVCO SA, 2009). 43 Figura 7. Geomalla coextruida mono-orientadas Nota. Tomado de Manual de diseño con Geosintéticos (p. 15) por Geosistemas PAVCO S.A, 2020, Zetta Comunicadores S.A. Geomallas coextruida bi-orientadas Las geomallas Coextruida bi-orientadas son materiales geosintéticos formados por una estructura bidimensional de polipropileno, caracterizada por su estabilidad química y uniformidad física. Su proceso de fabricación consiste en la extrusión inicial del material y su posterior estiramiento en las direcciones longitudinal y transversal, lo cual incrementa significativamente su resistencia a la tensión. Esta conformación genera una malla de aberturas regulares que proporciona un módulo de elasticidad elevado y una interacción más eficiente con las partículas del suelo. En el contexto del presente proyecto de investigación, estas propiedades resultan especialmente relevantes, ya que la geomalla actúa como un refuerzo estructural capaz de distribuir esfuerzos y limitar deformaciones en el talud ubicado entre las progresivas 161+956 y 162+056, zona donde se evidencia un comportamiento inestable que requiere confinamiento y soporte adicional (Geosistemas PAVCO SA, 2009). 44 Figura 8. Geomalla Coextruida Bi-orientada Nota. Tomado de Manual de diseño con Geosintéticos (p. 16) por Geosistemas PAVCO S.A, 2020, Zetta Comunicadores S.A. Las geomallas Coextruida bi-orientadas, gracias a sus nudos rígidos y elementos continuos, ofrecen una gran capacidad de confinamiento. Esto permite que se anclen bien al material del talud y mejoren la unión interna del suelo. Este comportamiento es especialmente importante en zonas donde hay riesgos por esfuerzos cortantes y desplazamientos superficiales, como en el tramo de la carretera CU–117 en Chuquicahuana. Al incluirlas en el diseño, se refuerza la estructura del talud y se mejora su estabilidad general, ya que ayudan a controlar las deformaciones y a redistribuir las cargas. Por eso, su uso es una opción técnica adecuada y eficaz para enfrentar los problemas de inestabilidad detectados, y contribuye a la sostenibilidad y seguridad de la vía (Geosistemas PAVCO SA, 2009). 3.2.5. Cunetas de coronación Son canales que se construyen con la finalidad de interceptar y encauzar apropiadamente el agua que se desliza sobre la superficie, y de esta manera impedir el deterioro del terreno, básicamente en sectores con mucha pendiente o donde se ha realizado el corte del terreno para la construcción de estructuras, reservorios, unidad de captación, etc. 45 Las zanjas de coronación de un talud son empleadas para interrumpir y guiar apropiadamente el agua de las lluvias previniendo su acceso por el talud, asimismo la cuneta de coronación no se debería construirse próximo al borde superior del talud, para impedir deslizamientos. La colocación y dimensiones de las cunetas pueden modificarse en concordancia a la topografía del sector y cálculo de los datos recolectados, de ahí que se advierte para generalmente una cuneta de mínimo de 50 centímetros de profundidad y 40 centímetros de ancho. Es por ello que es recomendable que las zanjas de coronación sean completamente impermeabilizadas además de disponerse de una suficiente pendiente y asegurar un drenaje, así como un mantenimiento cada dos años aproximadamente para reparar algún corte o fisura que pudiera darse. 3.2.6. Factores que producen fallas de estabilidad de laderas y taludes. Los factores que producen fallas de estabilidad en laderas y taludes resultan de la interacción entre condiciones naturales y acciones inducidas por el ser humano. Entre los factores naturales destacan la litología, la estructura geológica, la estratigrafía, la pendiente del terreno y las condiciones climáticas, especialmente la infiltración de lluvia, que incrementa las presiones de poros y reduce la resistencia al corte del suelo. Asimismo, los procesos de meteorización y la erosión superficial contribuyen al debilitamiento progresivo de los materiales. Por otro lado, las actividades antrópicas, como excavaciones, sobrecargas por rellenos, modificaciones de la geometría del talud y deficiencias en los sistemas de drenaje, alteran el equilibrio tensional del macizo y favorecen deslizamientos. La remoción de la cobertura vegetal y los cambios en las condiciones hidrológicas intensifican estos efectos. Un análisis integral de estos factores es fundamental para evaluar la estabilidad (De Matteis, 2003). 46 Figura 9. Factores que producen fallas de estabilidad de ladera y taludes Nota. Adaptado de Estabilidad de taludes (p. 8-15) por Álvaro De Matteis, 2003. Modificaciones y/o excavaciones Modificar la forma natural del terreno con cortes o excavaciones es común en proyectos viales, mineros o de construcción. Estas acciones pueden reducir el soporte lateral, aumentar la pendiente y reactivar fallas antiguas, lo que pone en riesgo la estabilidad del terreno. Por eso, el diseño y la ejecución deben cumplir normas que tomen en cuenta la geología local y la resistencia del suelo ([MTC], 2018). Sobrecargas de material excedente La acumulación de materiales como desechos o rellenos no controlados en la parte superior o en la ladera del talud aumenta las fuerzas gravitacionales y los esfuerzos cortantes, lo que reduce el factor de seguridad (De Matteis, 2003). 47 Sobre carga de rellenos Cuando se aplican cargas estáticas o dinámicas, como las de estructuras, tráfico o almacenamiento, sobre rellenos artificiales, es importante que el material esté bien compactado y la cimentación sea adecuada. Si no es así, el aumento de carga puede causar asentamientos excesivos, fallas en la capacidad portante o deslizamientos en zonas débiles (Braja M., Principles of Foundation Engineering, 2011). Remoción por corte La eliminación de material en la base o pie del talud, ya sea por procesos naturales como la erosión fluvial o por actividades humanas como las excavaciones, reduce la resistencia al deslizamiento y puede causar fallas rotacionales o traslacionales (De Matteis, 2003). Cambio de presiones de filtraciones por corte y/o rellenos El régimen hidrogeológico puede cambiar cuando se hacen intervenciones en el terreno. Esto modifica los niveles freáticos, aumenta la presión de los poros y reduce la resistencia efectiva del suelo (De Matteis, 2003). Factores climatológicos Los agentes meteorológicos, como las lluvias intensas, los cambios de temperatura y los ciclos de humedad y sequedad, afectan la estabilidad del suelo. La lluvia es el factor más importante porque aumenta la infiltración, satura el suelo, eleva la presión de los poros y reduce la resistencia al corte. Esto puede causar erosión y movimientos en masa, sobre todo en laderas sin vegetación (Suárez Díaz, 1998). Remoción de capas superficiales La pérdida de la cobertura vegetal o de las capas superficiales cohesivas, causada por la deforestación o la erosión del agua y el viento, deja expuestos materiales más frágiles y disminuye la protección frente a la infiltración y el desgaste (De Matteis, 2003). 48 Incremento de cargas hidrostáticas El aumento de la presión del agua en los poros del suelo o en las discontinuidades ocurre cuando sube el nivel freático o se infiltra agua de lluvia. Esta presión reduce los esfuerzos efectivos (σ' = σ - u), lo que disminuye mucho la resistencia friccionante del suelo y puede causar fallas repentinas, sobre todo en materiales granulares sueltos o suelos finos saturados (Braja M., Principles of Foundation Engineering, 2011). 3.2.7. Tipos de fallas más comunes en taludes Figura 10. Tipos de fallas más comunes en taludes Nota. Adaptado de Estabilidad de taludes (p. 5 - 8) por Álvaro De Matteis, 2003. Deslizamientos superficiales. Cualquier talud está sujeto a fuerzas naturales que tienden a hacer que las partículas y porciones del suelo próximas a su frontera deslicen hacia abajo. Se refiere esta falla al proceso más o menos continuo, y por lo general lento, de deslizamientos ladera abajo que se presenta en la zona superficial de algunas laderas laterales. 49 Existen dos clases de deslizamientos: el estacional que afecta solo a la corteza superficial de la ladera que sufre la influencia de los cambios climáticos en forma de expansiones y contracciones térmicas o por humedecimiento y secado, y el masivo, a capas de tierra más profundas, no interesadas por los efectos ambientales y que, en consecuencia, solo se puede atribuir al efecto gravitacional. El primero en mayor o menor grado siempre existe, variando su intensidad según la época del año; en cambio el segundo los movimientos son prácticamente constantes, el fenómeno se pone de manifiesto a los ojos del ingeniero cuando nota que los árboles y postes están inclinadas respecto de la vertical, cuando se evidencian agrietamientos o escalonamientos en el talud (De Matteis, 2003, pág. 6). Movimientos del cuerpo del talud. En taludes movimientos bruscos que afectan a masas considerables de suelo, con superficies de falla que penetran profundamente en su cuerpo, interesando o no al terreno de fundación. Se considera que la superficie de falla se forma cuando en la zona de su futuro desarrollo actúan esfuerzos cortantes que sobrepasan la resistencia al corte del material; a consecuencia de ello sobreviene la ruptura del mismo, con la formación de una superficie de deslizamiento a lo largo de la cual se produce la falla. Estos fenómenos se los denomina “deslizamientos de tierras” y puede estudiarse dos tipos bien diferentes (De Matteis, 2003, pág. 6). Falla rotacional. En el primer lugar se define una superficie de falla curva, a lo largo de la cual ocurre el movimiento del talud. Esta superficie forma una traza con el plano del papel que puede asimilarse, por facilidad y sin mayor error a una circunferencia, aunque pueden existir formas algo diferentes, en la que por lo general influye la secuencia geológica local, el perfil estratigráfico y la naturaleza de los materiales. Estas fallas son llamadas de rotación. Este tipo de fallas ocurren por lo común en materiales arcillosos homogéneos o en suelos cuyo 50 comportamiento mecánico este regido básicamente por su fracción arcillosa. En general afectan a zonas relativamente profundas del talud, siendo esta profundidad mayor cuanto mayor sea la pendiente (De Matteis, 2003, pág. 7). Falla traslacional. La falla traslacional es un tipo de movimiento en masa en el que el deslizamiento ocurre sobre una superficie de falla que suele ser plana o levemente ondulada, y normalmente sigue la estratificación del terreno o planos de debilidad ya existentes. Este fenómeno es común en suelos granulares estratificados, rocas sedimentarias o macizos con discontinuidades marcadas, donde el bloque superior se mueve casi en paralelo a la pendiente y sin rotar de forma notable (De Matteis, 2003). Tipo falla en la zona de estudio El estudio de mecánica de suelos identificó el suelo del sector como granular limoso. Esto indica que la falla más probable en el talud será traslacional, ya que este tipo de material tiene propiedades geotécnicas específicas. Los suelos granulares limosos, clasificados como SM según el SUCS, tienen cohesión muy baja o casi nula, por lo que su resistencia al corte depende casi solo del ángulo de fricción interna. Por esta razón, no es común que se formen superficies de falla curvas o profundas, que son típicas de las fallas rotacionales. Estas últimas suelen presentarse en suelos arcillosos homogéneos, donde la cohesión y el comportamiento plástico influyen mucho en la estabilidad. A diferencia de otros tipos, los suelos granulares tienen una ligera estratificación o cambios en el tamaño de los granos que crean planos naturales de debilidad. Esto facilita deslizamientos planos o traslacionales, sobre todo si la pendiente es fuerte o si hay saturación parcial que reduce la resistencia. Además, el agua se infiltra más rápido en estos suelos, lo que aumenta la presión de poros y disminuye la capacidad del terreno para resistir esfuerzos, favoreciendo desplazamientos superficiales o de bloques a lo largo de planos casi rectos. 51 En taludes viales como el analizado, que están expuestos a cambios climáticos estacionales y a erosión constante, estas condiciones aumentan la probabilidad de fallas traslacionales. Por eso, el comportamiento del suelo granular limoso, junto con las características geométricas y ambientales del talud, hace que la falla traslacional sea el mecanismo de inestabilidad más probable. Esto debe ser una prioridad en el análisis y en el diseño de las soluciones de estabilización. 3.2.8. Métodos para estabilización de taludes Método de fellenius Es un método de equilibrio límite que supone una superficie de falla circular y divide la masa deslizante en dovelas verticales. Solo toma en cuenta el equilibrio de momentos y descarta las fuerzas horizontales y verticales entre dovelas. Por su formulación simplificada, se usa sobre todo en análisis preliminares de estabilidad en taludes homogéneos y presas de tierra, aunque suele dar resultados conservadores (Fellenius, 1936). Método de bishop Es un método de equilibrio límite que analiza superficies de falla circulares y toma en cuenta el equilibrio de momentos y fuerzas verticales. A diferencia del método de Fellenius, este método estima también las fuerzas horizontales entre dovelas, lo que permite calcular el factor de seguridad con mayor precisión. Se usa mucho en geotecnia para evaluar la estabilidad de taludes en suelos homogéneos y estratificados (Bishop, 1955). Método de janbu Es un método de equilibrio límite generalizado que permite analizar superficies de falla no circulares, como las traslacionales o compuestas. Toma en cuenta el equilibrio de fuerzas y momentos y acepta diferentes formas de superficies de deslizamiento, por lo que resulta especialmente útil para taludes estratificados o con geometrías complejas. Se usa 52 mucho en suelos granulares y en diseños que incluyen elementos de refuerzo como geosintéticos (Janbu, 1973). Método morgenstern y price Es un método de equilibrio límite general que cumple con el equilibrio de fuerzas y momentos. Permite analizar superficies de falla de cualquier forma usando una función que define la inclinación de las fuerzas entre dovelas. Gracias a su rigor matemático, se puede aplicar a taludes complejos, estratificados o con agua, y ofrece soluciones precisas para el factor de seguridad (Morgenstern & Price, 1965). Método de bell Es un método general de equilibrio límite que cumple con todas las condiciones de equilibrio de fuerzas y momentos, y permite analizar superficies de falla de cualquier forma. Tiene en cuenta la inclinación variable de las fuerzas entre dovelas y se puede aplicar a taludes complejos, estratificados o con diferentes presiones de poro. Su formulación precisa lo hace útil para diseñar estabilizaciones con estructuras de contención o refuerzos geosintéticos (Bell, 1968). 3.2.9. Método empleado para la estabilización en chuquicahuana En esta investigación se usa el método de Janbu porque se ajusta bien al análisis de taludes con superficies de falla no circulares y profundas, como el que se estudia aquí. A diferencia de los métodos circulares tradicionales, Janbu permite modelar de manera más realista los mecanismos de falla traslacionales o planares, que suelen ocurrir en suelos granulares con poca cohesión y pendientes pronunciadas. Además, es compatible con geometrías complejas, refuerzos geosintéticos como geomallas y geoceldas, banquetas y cargas externas, lo que resulta clave para evaluar soluciones de estabilización actuales. El método de Janbu es muy usado en la práctica geotécnica y en programas como GeoStru Slope. Permite comprobar si se cumple el Factor de Seguridad que pide la norma 53 CE.020, tanto en condiciones estáticas como pseudoestáticas. Su enfoque en el equilibrio global de fuerzas y el uso de factores de corrección dan resultados conservadores y consistentes en estudios de estabilidad. Por eso, es una herramienta confiable para justificar la alternativa de estabilización elegida en esta investigación. Figura 11. Representación gráfica del método de Janbu Nota. Tomado de Slope Stability Computations (p. 50) por Janbu, 1973. Formulación básica del factor de seguridad janbo (f.s.) Para una superficie de falla dividida en nn dovelas verticales, el Factor de Seguridad global se define como: Donde: c = cohesión en la base de la dovela (kg/cm²) ϕ= ángulo de fricción interna en la base de la dovela (°) 54 W= peso total de la dovela (kg) u = presión de poros en la base de la dovela (kg/cm²) b = ancho de la dovela (m) α = inclinación de la base de la dovela respecto a la horizontal (°) Factor de seguridad Este parámetro es fundamental en la ingeniería geotécnica porque muestra cómo se relaciona la resistencia del suelo con el esfuerzo necesario para equilibrar las cargas. Se define como la relación entre la resistencia máxima al corte del suelo y el esfuerzo cortante que se moviliza en una masa de suelo o en una estructura geotécnica. Para garantizar la estabilidad, su valor debe ser mayor que 1.0. Este valor cambia según el tipo de análisis, como la capacidad de carga, la estabilidad de taludes o la presión lateral, y también depende de la incertidumbre en las propiedades del suelo. En el diseño, se suelen usar valores entre 1.5 y 3.0, según la normativa y la importancia de la estructura (Braja M., Fundamentals of Geotechnical Engineering, 2013). El Factor de Seguridad (FS) es un cociente que evalúa la estabilidad estructural, calculado como la razón entre las fuerzas o momentos resistentes y los desestabilizantes, como se muestra en la siguiente formula. 퐹푆 = ∑ 퐹푢푒푟푧푎푠 표 푚표푚푒푛푡표푠 푟푒푠푖푠푡푒푛푡푒푠 ∑ 퐹푢푒푟푧푎푠 표 푚표푚푒푛푡표푠 푑푒푒푠푡푎푏푖푙푖푧푎푛푡푒푠 Fuerzas o momentos resistentes En mecánica de suelos, la fuerza resistente es la capacidad máxima del suelo para soportar esfuerzos cortantes a lo largo de una superficie potencial de falla antes de que ocurra el deslizamiento. Esta resistencia se deriva de dos componentes: la cohesión entre las partículas y la fricción interna que depende del esfuerzo normal efectivo actuando sobre el 55 plano de falla. El principio fundamental se expresa mediante el criterio de falla de Mohr- Coulomb, que establece que la resistencia al corte (τf) en un punto es τf = c + σ tan ϕ, donde c es la cohesión, σ es el esfuerzo normal y ϕ es el ángulo de fricción del suelo (Braja M., Geotechnical Engineering Handbook, 2011). Fuerzas o momentos desestabilizantes En el análisis de estabilidad de taludes, las fuerzas o momentos desestabilizantes son aquellas acciones o esfuerzos que pueden causar el movimiento o la falla de una masa de suelo o roca a lo largo de una posible superficie de deslizamiento. Estas fuerzas impulsan la inestabilidad y se oponen a las fuerzas o momentos que resisten el movimiento. En un talud, la fuerza desestabilizante principal suele ser el peso del material que está por encima de la superficie de falla. También influyen otras acciones, como las sobrecargas externas (por ejemplo, estructuras o tráfico), las presiones de agua intersticial (que disminuyen las tensiones efectivas y pueden generar empujes de agua) y, en algunos casos, las fuerzas sísmicas. El momento desestabilizante normalmente se calcula respecto a un centro de rotación, como ocurre en fallas circulares, y se obtiene multiplicando estas fuerzas por su respectivo brazo de palanca (González de Vallejo et al., 2004). Factor de seguridad estática En estabilidad de taludes, el Factor de Seguridad Estática (FS) es la relación entre la resistencia al corte del suelo y el esfuerzo cortante que actúa a lo largo de una posible superficie de falla en condiciones estáticas, es decir, sin cargas dinámicas como las sísmicas. Este factor es clave para saber si un talud, natural o artificial, es estable. Si el FS es mayor que 1.0, la resistencia del suelo es suficiente para evitar el deslizamiento. Si el FS es igual o menor que 1.0, hay riesgo de falla. En ingeniería geotécnica, se recomienda un FS mínimo, normalmente entre 1.25 y 1.5 para el largo plazo, para asegurar un margen de seguridad ante 56 posibles incertidumbres en los parámetros del suelo y las condiciones de carga (Braja M., Geotechnical Engineering Handbook, 2011). Aquí, c y ϕ representan los parámetros de resistencia del suelo, l es la longitud de la base de la rebanada y α es el ángulo de inclinación de la base. Como el FS aparece en ambos lados de la ecuación al calcular las fuerzas normales N, la solución se encuentra usando procesos iterativos. Los métodos más usados, como el de Bishop Simplificado, varían en las suposiciones sobre las fuerzas entre rebanadas para que el problema sea estáticamente determinado (Braja M., Geotechnical Engineering Handbook, 2011). Factor de Seguridad Dinámica El Factor de Seguridad Dinámica es el factor de seguridad de un talud o una estructura de retención cuando se toman en cuenta las fuerzas sísmicas. Estas fuerzas suelen analizarse con un método pseudo-estático, que simula un terremoto aplicando fuerzas horizontales y verticales constantes al posible bloque deslizante. Las fuerzas dependen de la masa del suelo y se calculan usando un coeficiente sísmico horizontal (kh) y, en ocasiones, uno vertical (kv). El análisis dinámico suma estas fuerzas inerciales a las ecuaciones de equilibrio límite, lo que reduce la resistencia del suelo y aumenta las fuerzas que pueden causar deslizamientos. El propósito es comprobar si el talud sigue siendo estable (FS > 1) durante un sismo de diseño, un criterio clave en zonas sísmicas. Este método es una forma sencilla y común de evaluar la estabilidad sísmica antes de usar análisis más avanzados que consideren la respuesta dinámica real del terreno (Braja M. & Sobhan, Principles of Geotechnical Engineering, 2018). 57 Descripción de su Calculo - Determinación de Coeficientes Sísmicos: Se elige un coeficiente sísmico horizontal (kh), que normalmente es una fracción (por ejemplo, de 0.1 a 0.3) de la aceleración máxima del terreno (PGA). El coeficiente vertical (kv) se puede tomar como un porcentaje de kh o como cero. - Aplicación de Fuerzas Sísmicas: En cada segmento (dovela) de la masa deslizante con peso W, se aplica una fuerza horizontal pseudo-sísmica igual a khW, que actúa hacia fuera del talud. Si corresponde, también se aplica una fuerza vertical kvW, que puede ir hacia arriba o hacia abajo. - Modificación de las Ecuaciones de Equilibrio: Estas fuerzas se suman a las ecuaciones de equilibrio de fuerzas y momentos. Por ejemplo, en un análisis simplificado, la fuerza sísmica horizontal aumenta la fuerza desestabilizadora (∑Wsinα) o genera un momento volcante extra. - Cálculo del Factor de Seguridad: Se resuelven las ecuaciones modificadas para obtener el Factor de Seguridad Dinámico (FSd). Este valor suele ser menor que el factor de seguridad estático. Un FSd entre 1.0 y 1.2 generalmente se considera aceptable para condiciones sísmicas de diseño. Estudio Topográfico Un estudio topográfico es un proceso que mide y representa gráficamente un terreno, y se realiza en la etapa de proyecto de una obra civil. Se trata de levantar la superficie del terreno para crear planos detallados que muestran su relieve, como las curvas de nivel, y las estructuras naturales o artificiales presentes. Para esto, se usan sistemas de referencia, proyección y coordenadas, junto con principios geométricos y trigonométricos, además de instrumentos como estaciones totales, GPS diferencial y programas especializados. El estudio topográfico es clave para diseñar y ejecutar proyectos de ingeniería, ya que ofrece 58 la base geométrica precisa que se necesita para planificar y construir carreteras, edificios, obras mineras y otras infraestructuras (Villalba Sánchez, 2016). Figura 12. Planta y perfil del terreno natural Nota. La Figura 12 muestra la planta y el perfil del terreno natural del área de estudio. Según la clasificación del Manual de Carreteras del MTC, el sector es un terreno accidentado porque sus pendientes principales están entre el 50% y el 100%. También se indican dos puntos de control monumentados que servirán como referencia para los replanteos durante la ejecución de las obras. Terreno plano Este tipo de terreno tiene pendientes transversales al eje de la vía de hasta un 10% y pendientes longitudinales que suelen ser menores al 3%. Gracias a esta topografía, se requiere poco movimiento de tierras durante la construcción, lo que hace más sencillo el 59 trazado de la carretera y permite usar alineamientos rectos junto con curvas de radio amplio sin complicaciones técnicas. Por eso, en estos terrenos se pueden elegir velocidades de diseño más altas y secciones transversales estándar, lo que mejora la seguridad y la eficiencia del proyecto vial ([MTC], 2018). Terreno ondulado Un terreno ondulado es una superficie con pendientes suaves y continuas, donde se alternan elevaciones y depresiones que forman colinas y vaguadas, sin pendientes abruptas. Este tipo de relieve necesita métodos topográficos específicos, sobre todo en altimetría, porque requiere un control preciso de la nivelación para captar bien las variaciones de altura. Al hacer perfiles longitudinales y transversales (ver capítulo 5 y figura 2.14), el terreno ondulado influye en la elección de equipos, como estaciones totales y nivelaciones geométricas, y en la corrección de errores por la curvatura de la Tierra. Es común encontrarlo en proyectos viales y de planificación, donde representar bien sus formas es clave para el diseño geométrico (Villalba Sánchez, 2016). Terreno accidentado Este tipo de terreno se caracteriza por pendientes transversales al eje de la vía entre el 51% y el 100%, y pendientes longitudinales predominantes entre el 6% y el 8%. Estas condiciones requieren grandes movimientos de tierra, lo que complica el trazado de la carretera. El diseño geométrico en estos casos necesita soluciones técnicas más avanzadas, como el uso frecuente de curvas horizontales cerradas, cortes y rellenos más grandes, y a veces estructuras especiales. Por eso, las velocidades de diseño suelen ser más bajas y los costos de construcción mucho mayores que en terrenos más favorables ([MTC], 2018). 60 Figura 13. Relación pendiente - área de la zona de estudio Nota. La Figura 13 muestra cómo se clasifican las pendientes del área de estudio de acuerdo con la normativa peruana. La mayoría de las pendientes superan el 50%, lo que indica que el terreno es accidentado y escarpado, y por eso es necesario estabilizar el talud. Terreno escarpado Un terreno escarpado tiene pendientes fuertes, desniveles marcados y muchos taludes o cortes rocosos, por lo que se necesitan métodos topográficos especiales y medidas de seguridad estrictas. Para hacer el levantamiento, se usan técnicas como la triangulación de taludes y estaciones totales en modo estación libre o por resección, ya que es difícil acceder a los puntos de referencia. Es importante controlar la altimetría con precisión, corrigiendo la inclinación y usando equipos como eclímetros y distanciómetros láser. Además, en obras viales o mineras, este tipo de terreno requiere protocolos de seguridad laboral específicos, como el uso de arneses, control de desprendimientos de roca y planes de evacuación, debido al alto riesgo que presentan estas condiciones topográficas (Villalba Sánchez, 2016). 61 3.2.10. Estudio Geológico El estudio geológico es el primer paso esencial en cualquier proyecto de ingeniería geológica. Su propósito es conocer el entorno físico al identificar, describir y analizar los materiales, estructuras y procesos geológicos del área y sus alrededores. Esto incluye determinar la litología (tipos de rocas y suelos), la estructura geológica (pliegues, fallas, discontinuidades), la geomorfología (formas del terreno) y las condiciones hidrogeológicas (nivel freático y flujo de agua). Al reunir estos datos, se puede crear un modelo geológico, que representa cómo se distribuyen los materiales y estructuras en el espacio. Este modelo es clave para planificar las investigaciones geotécnicas detalladas (como sondeos y ensayos) y, después, para desarrollar los modelos geomecánico y de comportamiento geotécnico necesarios para analizar y diseñar la obra (González de Vallejo et al., 2004). Fuentes de información de la ingeniería geológica Las fuentes más importantes de información en ingeniería geológica suelen venir de asociaciones profesionales internacionales especializadas. Estas organizaciones organizan congresos, simposios y publican revistas o boletines científicos de forma regular. Entre las más reconocidas a nivel mundial están la International Association of Engineering Geology and the Environment (IAEG), la Association of Engineering Geologists (AEG), la International Society of Rock Mechanics (ISRM) y la International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering (ISSMFE). Algunas de las publicaciones periódicas más relevantes son el Bulletin of the IAEG, el Bulletin of the AEG, el Quarterly Journal of Engineering Geology de la Geological Society of London, Engineering Geology (Elsevier), International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences (Elsevier) y Géotechnique (González de Vallejo et al., 2004) En Perú, la información sobre ingeniería geológica y geotecnia proviene sobre todo de instituciones públicas, universidades y colegios profesionales. El Instituto Geológico, 62 Minero y Metalúrgico (INGEMMET) es la entidad principal que publica mapas geológicos, estudios de riesgos e informes técnicos. El Colegio de Ingenieros del Perú (CIP), a través de su Capítulo de Ingeniería Geológica, Minera y Metalúrgica, organiza congresos, seminarios y publica material técnico. Universidades como la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) y la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP) editan revistas científicas y realizan investigaciones aplicadas. Además, se puede acceder a información digital en repositorios institucionales, bibliotecas especializadas y redes profesionales nacionales. Figura 14. Contexto geológico regional Nota. El mapa geológico regional muestra cómo se distribuyen las diferentes litologías en el área de estudio. En él se identifica la unidad de colinas en roca sedimentaria (RCrs), que es donde se encuentra el área de investigación. Esta información geológica ayuda a reconocer las principales características litológicas y sirve como base para analizar el comportamiento geomecánico del talud evaluado. Adaptado de la Carta Geológica del Perú – INGEMMET. 63 3.2.11. Estudio geofísico Un estudio geofísico es una técnica de exploración no invasiva que permite conocer las propiedades del subsuelo midiendo y analizando fenómenos físicos, como las ondas sísmicas, sin hacer perforaciones. El método MASW (Análisis Multicanal de Ondas Superficiales) es un buen ejemplo. Este método usa varios geófonos para registrar ondas Rayleigh que se generan con un impacto y luego analiza sus curvas de dispersión para obtener perfiles de velocidad de onda de corte (Vs), que muestran la rigidez del terreno a diferentes profundidades. Esta técnica aporta datos clave para diseñar cimentaciones, como los módulos de Young y de corte, y ayuda a identificar cambios de rigidez a lo largo de infraestructuras lineales, como vías férreas, detectando zonas débiles o anomalías. Al aplicarse en la electrificación de redes ferroviarias, los estudios geofísicos permiten optimizar diseños y evitar sobredimensionamientos, lo que reduce costos de manera rápida, segura y repetible. Además, integran clasificaciones normativas como el Eurocódigo 8 para evaluaciones sísmicas (Park & Sayers, 2025). Figura 15. Diagrama de Propagación de Ondas Sísmicas 64 Nota. Tomado de Slope Multi-channel analysis of surface waves (MASW) method (p. 1) por Park & Sayers, 2025. Ondas primarias (P) Las ondas sísmicas primarias (P) son las ondas de cuerpo que viajan más rápido. Se generan por terremotos o explosiones y son las primeras en llegar a los sismómetros. Estas ondas son compresionales, lo que significa que las partículas se mueven en la misma dirección que la onda, permitiéndoles viajar por sólidos, líquidos y gases. En la corteza terrestre, su velocidad está entre 5 y 8 km/s. En los sismogramas, la llegada de la onda P ayuda a localizar el hipocentro del terremoto al medir su tiempo de viaje. También, estas ondas se reflejan y se desvían en las capas internas de la Tierra, como el límite entre el núcleo y el manto. Esto permite a los sismólogos conocer la estructura y composición del interior terrestre. Estudiar las ondas P es clave en la tomografía sísmica y la exploración geofísica, ya que los cambios en su velocidad muestran diferencias en las propiedades y la densidad de los materiales que atraviesan (Stein & Wysession, 2003). Figura 16. Propagación de Ondas P Nota. Tomado de Lawrence Braile (2006). 65 Ondas secundarias (s) Las ondas sísmicas secundarias, llamadas ondas S, son el segundo tipo de ondas de cuerpo en velocidad y llegan a los sismómetros después de las ondas P. Su nombre viene del inglés "Secondary" (Secundaria). Estas ondas son de corte o cizalla, lo que significa que las partículas se mueven en dirección perpendicular a la propagación de la onda y causan una deformación por esfuerzo cortante en el material. A diferencia de las ondas P, las ondas S no pueden viajar por líquidos o gases, como el núcleo externo de la Tierra, porque estos no tienen rigidez ante esfuerzos de corte. Su velocidad en la corteza terrestre suele estar entre 3 y 5 km/s y depende del módulo de rigidez (μ) y la densidad (ρ) del medio, según la fórmula vs=μ/ρ. En los sismogramas, las ondas S suelen tener amplitudes mayores que las ondas P, por lo que son más destructivas cerca del epicentro. Estudiar las ondas S es clave para entender la estructura interna de la Tierra, ya que su ausencia en ciertas zonas ayudó a descubrir que el núcleo externo es líquido. Además, analizar la polarización y los tiempos de llegada de las ondas S, junto con las ondas P, da información importante sobre el mecanismo de los terremotos y las propiedades elásticas del manto y la corteza (Stein & Wysession, 2003). Figura 17. Propagación de las ondas S 66 Nota. Tomado de Lawrence Braile (2006). Método monte carlo El Método Montecarlo es una técnica computacional que usa muestreo aleatorio para resolver problemas matemáticos o físicos complejos. Es especialmente útil en casos de alta dimensión o geometrías complicadas donde los métodos deterministas no son eficientes. Este método se apoya en la ley de los grandes números y el teorema del límite central. Al generar muchas muestras aleatorias de una distribución, el promedio de los resultados se acerca estadísticamente a la solución esperada, como el valor de una integral o la probabilidad de un evento. Aunque cada muestra es aleatoria, el error disminuye en proporción a la raíz cuadrada del número de ensayos, lo que permite controlar la precisión. El método se usa en la evaluación de integrales multidimensionales, la simulación de sistemas estocásticos (como el transporte de radiación o la dinámica molecular), las finanzas cuantitativas y los gráficos por computadora. Su fortaleza está en la flexibilidad y en técnicas como el muestreo por importancia, que ayudan a que la convergencia sea más rápida (Kalos & Whitlock, 2008). El Método Monte Carlo es una técnica computacional de simulación estadística que permite evaluar la incertidumbre en sistemas complejos mediante la generación repetitiva de escenarios aleatorios. En ingeniería geotécnica, donde los parámetros del suelo presentan variabilidad inherente, este método resulta particularmente valioso para cuantificar la probabilidad de falla (P0) y el índice de confiabilidad (β) de estructuras de suelo, trascendiendo el enfoque determinista tradicional basado únicamente en factores de seguridad puntuales. En este trabajo de investigación, el Método Monte Carlo se implementó como parte del análisis probabilístico para evaluar la confiabilidad del talud natural y de las dos alternativas de estabilización con geosintéticos. Su aplicación siguió un proceso sistemático: 67 a) identificación de variables aleatorias: Se seleccionaron los parámetros geotécnicos con mayor influencia en la estabilidad y que presentaban dispersión en