• Author / Uploaded
• Brallan Acuña Marreros

Citation preview

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

TESIS

“ANÁLISIS PARA ESTABILIDAD DE TALUDES EN ROCA UTILIZANDO MALLAS GALVANIZADAS ANCLADAS, CIUDAD NUEVA FUERABAMBAAPURIMAC”

PRESENTADO POR: Bach. ALAN ALEX SAENZ SERPA

ASESORA: M. Sc. Ing. BETTY MARIA QUISPE CONDORI

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE: INGENIERO CIVIL

HUANCAYO – PERÚ 2017

MIEMBROS DEL JURADO

PRESIDENTA: M. Sc. Ing. Betty María Condori Quispe

SECRETARIO: Ing. Augusto García Corzo

JURADOS: M. Sc. Ing. Ronald Santana Tapia TITULAR

Ing. Augusto García Corzo TITULAR

Ing. Javier Francisco Chávez Peña TITULAR

Mg. Lic. Nobel Leyva Gonzales SUPLENTE

ASESORA: M. Sc. Ing. Betty María Condori Quispe

ii

DEDICATORIA Dedico esta tesis con mucho amor y cariño: A mis padres Jesús Sáenz Toscano y Hualberta Serpa Mallqui, las dos personas más importantes de mi vida por el apoyo incondicional que me brindaron durante mis estudios, determinando

mi formación

académica y moral. Ya que con sus palabras y consejos fueron motores para culminar mi Carrera Profesional. iii

AGRADECIMIENTOS

Quiero expresar mi profundo y sincero agradecimiento a la Universidad Nacional del Centro del Perú alma mater en la formación, así mismo a los señores ingenieros docentes de la Facultad de Ingeniería Civil, que de una u otra manera han sabido guiarme y brindarme sus conocimientos de manera incondicional en mi formación profesional.

En forma especial a mi asesora M. Sc. Betty María Condori Quispe por su contribución, dedicación y empeño en la asesoría de mi Tesis.

A mis padres, Jesús Sáenz Toscano y Hualberta Serpa Mallqui por su apoyo incondicional durante todas las etapas de mi vida.

A mis hermanos: Ángel Saenz y Oliver Saenz quienes fueron un apoyo importante en el transcurso de la elaboración mi tesis. A mis amigos y colegas William Ledesma, Charly Rodríguez, Michael Apacclla, Miguel Retamozo y Roly Leiva por su apoyo moral y aportes valiosos durante el tiempo que realicé los estudios y la Tesis de Grado. Así mismo al nuevo centro poblado Ciudad Nueva Fuerabamba-Apurimac por brindarme las facilidades durante la ejecución de mi Tesis. A la facultad de ingeniería civil de la UNCP, por facilitarme el uso del laboratorio de mecánica de suelos y a la Facultad de Ingeniería de Minas por facilitarme el uso del laboratorio de mecánica de rocas.

Muchas

gracias

por

permitirme

culminar

exitosamente esta investigación. A las empresas GRAÑA & MONTERO y MACAFERRI CONSTRUCTION, por facilitarme el uso del sus laboratorios y centros de investigación para el procesamiento de datos y estudios preliminares de esta investigación.

Un agradecimiento muy especial a mis padres, quienes con su apoyo hicieron factible la elaboración de esta tesis, a todos ellos les digo gracias. iv

INDICE

DEDICATORIA ...................................................................................................................... iii AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................ iv INDICE ...................................................................................................................................... v RESUMEN ............................................................................................................................. xvi INTRODUCCIÓN .................................................................................................................xvii CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN ............................................ 1 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................. 1 1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ....................................................................... 2 1.2.1. PROBLEMA GENERAL ................................................................................ 2 1.2.2. PROBLEM AS ESPECÍFICOS ......................................................................... 2 1.3. OBJETIVOS .............................................................................................................. 3 1.3.1. OBJETIVO GENERAL.................................................................................... 3 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................... 3 1.4. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................... 3 1.4.1. JUSTIFICACIÓN METODOLÓGICA .............................................................. 3 1.4.2. JUSTIFICACIÓN PRÁCTICA.......................................................................... 3 1.4.3. JUSTIFICACIÓN SOCIAL ............................................................................... 4 1.5. DELIMITACIÓN ....................................................................................................... 4 1.5.1. CONCEPTUAL .................................................................................................. 4 1.5.2. ESPACIAL ......................................................................................................... 4 1.5.3 TEMPORAL ....................................................................................................... 6 1.6. FORMULACIÓN DE LA HIPÓTESIS ..................................................................... 6 1.6.1. HIPÓTESIS GENERALES ................................................................................ 6 v

1.6.2. HIPÓTESIS ESPECÍFICOS ............................................................................... 6 CAPITULO II: MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 7 2.1. ANTECEDENTES: .................................................................................................... 7 2.1.1. ANTECEDENTE INTERNACIONAL: ............................................................ 7 2.1.2. ANTECEDENTE NACIONAL: ........................................................................ 9 2.2. BASES TEÓRICAS ................................................................................................. 11 2.2.1. ESTABILIDAD DE TALUDES ..................................................................... 11 2.2.2. COMPOSICIÓN DE SUELOS Y ROCAS: .................................................... 12 2.2.3. CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS 15 2.2.4. PARÁMETROS GEOTÉCNICOS .................................................................. 15 2.2.5. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS ........................................ 16 2.2.6. TIPOS DE INESTABILIDAD ........................................................................ 22 2.2.7. ANÁLISIS PARA LA ESTABILIDAD DE TALUDES ................................ 22 2.3. MÉTODOS DE CÁLCULO .................................................................................... 23 2.3.1. CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE CÁLCULO ............................. 23 2.3.2. MÉTODOS NO EXACTOS:........................................................................... 25 2.3.3. MÉTODOS EXACTOS................................................................................... 27 2.3.4. CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS ..................................................... 40 2.4. DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN Y SEGURIDAD .......................................... 43 2.4.1. COLOCACIÓN DE ANCLAJES .................................................................... 45 2.5. MARCO CONCEPTUAL ........................................................................................ 49 CAPÍTULO III: METODOLOGÍA Y RECOLECCIÓN DE DATOS.................................... 50 3.1. DISEÑO METODOLÓGICO .................................................................................. 50 3.1.1. TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN ......................................................... 50 3.1.2. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................... 50 vi

3.2. MÉTODOS EMPLEADOS ...................................................................................... 51 3.3. POBLACIÓN Y MUESTRA .................................................................................. 51 3.3.1. POBLACIÓN ................................................................................................... 52 3.3.2. MUESTRA ...................................................................................................... 52 3.4. TÉCNICA E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS...................... 56 3.4.1. TÉCNICAS ...................................................................................................... 56 3.4.2. INSTRUMENTOS ........................................................................................... 56 3.5. PROCEDIMIENTO METODOLÓGICO ................................................................ 57 3.5.1. UBICACIÓN, LOCALIZACIÓN Y RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN DISPONIBLE. .............................................................................. 58 3.5.2. TRABAJOS EN CAMPO................................................................................ 74 3.5.3. ENSAYOS DE LABORATORIO ................................................................... 82 3.5.4. MONITOREO, INSTRUMENTACIÓN Y SEGUIMIENTO DEL TALUD... 86 3.5.5. PLAN DE SEGUIMIENTO PARA LOS SECTORES EN ROCA................. 86 CAPÍTULO IV: ANÁLISIS DE DATOS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ................................................................................................................... 89 4.1. ANÁLISIS DE DISEÑO PÁRA ESTABILIDAD DE TALUDES EN ROCA ...... 89 4.1.1. SECTORIZACIÓN DE TALUD SUPERIOR ................................................ 89 4.1.2. CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS DE LA ROCA ............................... 90 4.2. ANÁLISIS DE CALCULOS CON LOS METODOS DE EQUILIBRIO LIMITE EXACTOS. ..................................................................................................................... 96 4.2.1. SECTOR SUR P.K.0+000-P.K.0+340 ............................................................ 96 4.2.2. CÁLCULOS DE ESTABILIDAD GLOBAL CON SLIDE 5.0 ..................... 96 4.2.3. COMPROBACIÓN DE LA ROTURA ESTRUCTURAL CON EL PROGRAMA DIPS ................................................................................................. 103 vii

4.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS INFLUENCIAS DE VARIABILIDAD DE LOS DIFERENTES ESTRATOS ROCOSOS PARA EL DISEÑO DE TALUDES. ...................................................................................................................................... 108 4.3.1. MÉTODO GEN. HOEK – BROWN ............................................................. 108 4.3.2. RESULTADOS DE EVALUACIÓN ............................................................ 110 4.3.3. EVALUACIÓN DE ESTABILIDAD CON PROGRAMA DIPS................. 113 4.3.4 ESTABILIDAD LOCAL EN ANOMALÍAS GEOLÓGICAS ...................... 115 4.4. DETERMINAR LA INFLUENCIA DEL USO DE LAS MALLAS GALVANIZADAS ANCLADAS PARA EL ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES ROCOSOS ................................................................................................ 118 4.4.1. CÁLCULOS DE CUÑAS CON SOFTWARE SWEDGE ............................ 118 4.2.2. ANÁLISIS DE CAÍDA DE BLOQUES CON ROCFALL ........................... 127 4.5. CUADRO RESUMEN ........................................................................................... 132 CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................... 133 CONCLUSIONES ................................................................................................................. 133 RECOMENDACIONES ........................................................................................................ 135 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 136 BIBLIOGRAFÍA ELECTRÓNICO ...................................................................................... 138 ANEXOS ............................................................................................................................... 139

viii

LISTA DE TABLAS Tabla 1: Ubicación Geográfica (Coordenadas Utm) ................................................................ 5 Tabla 2: Clasificación de resistencia de suelos y rocas a partir de índices de campo. ........... 14 Tabla 3: Clasificación de las rocas según su resistencia a la compresión uniaxial (Mpa). .... 19 Tabla 4: Clasificación ingenieril de la roca de acuerdo al índice (σc) ................................... 20 Tabla 5: Métodos de análisis para estabilidad de taludes. ...................................................... 25 Tabla 6: Listado de tablas para cálculo de estabilidad de taludes disponibles en la literatura. .................................................................................................................................................. 26 Tabla 7: Factores de ajuste para el cálculo del índice SMR. .................................................. 42 Tabla 8: Determinación del índice RMR. ............................................................................... 42 Tabla 9: Calidad de la roca en función de índice RMR. ......................................................... 43 Tabla 10: Calidad de la roca en función de índice SMR. ....................................................... 43 Tabla 11: Cantidad de sondeos realizados. ............................................................................. 52 Tabla 12: Tabla de sectores y sub-sectores del talud.............................................................. 53 Tabla 13: Clasificación del macizo rocoso con parámetros RMR en los sub-sectores del talud con 84 estaciones geomecánicas. ............................................................................................. 54 Tabla 14: Procedimiento metodológico ................................................................................. 57 Tabla 15: Tipos de fallas tectónicas. ...................................................................................... 73 Tabla 16: Tabla de sectores y sub-sectores del talud del sector Sur. ...................................... 89 Tabla 17: Clasificación del macizó rocoso con parámetros RMR en los sub-sectores del talud para las 84 microestaciones geomecánicas. ............................................................................. 90 Tabla 18: Clasificación del macizó rocoso con parámetros RMR en los sub-sectores del talud, según recopilación de datos de un informe preliminar. ................................................. 92 Tabla 19: Clasificación de los valores de factor de corrección en este caso fueron determinados según Método de M. Romana (ver cálculos en los anexos). ............................. 93 ix

Tabla 20: Cuadro de la geometría del Talud en planta se caracteriza con cambios de orientación (dirección) de talud, indicados a continuación (Ver anexo de planos). ................ 94 Tabla 21: La distribución de Secciones para sectores y Sub-Sectores se presenta en el cuadro siguiente. .................................................................................................................................. 94 Tabla 22: Secciones Generales de los parámetros fueron según horizontes litoestratigráficos a nivel de Talud Total (sin sectorización). ............................................................................... 94 Tabla 23: Secciones Generales de los parámetros fueron según horizontes litoestratigráficos a nivel de Talud Total (con sectorización). .............................................................................. 95 Tabla 24: Valores de cálculo del Sector Sur para el programa Slide 5.0. .............................. 97 Tabla 25: Factores de seguridad obtenidos. ............................................................................ 97 Tabla 26: Propiedades de los planos principales. Sector Sur. .............................................. 103 Tabla 27: Cuadro de cálculos según los horizontes litoestratigráficos bajo los parámetros RMR, UCS, GSI, IRC, Mb, s y a. .......................................................................................... 109 Tabla 28: Los parámetros obtenidos y utilizados para cálculos según método Hoek – Brown para 22 Secciones Geológicas Detalladas se presenta en el siguiente cuadro. ...................... 110 Tabla 29: Resultados de los cálculos para 02 secciones geológicas generales se presentan en el siguiente cuadro. ................................................................................................................ 110 Tabla 30: Resultados del factor de seguridad para falla circular de las 4 secciones geológicas detalladas se presentan en el siguiente cuadro. ...................................................................... 111 Tabla 31: Resultados de falla no circular.............................................................................. 111 Tabla 32: Resultados del factor de seguridad para falla no circular de las 4 secciones geológicas detalladas se presentan en el siguiente cuadro. .................................................... 112 Tabla 33: Resultados para las Secciones Geológicas generales. .......................................... 112 Tabla 34: Evaluación de taludes Integrales (considerado Factores de Seguridad para el macizo Rocoso y para suelos) para 9 secciones detalladas.................................................... 113 x

Tabla 35: Distribución de sub sectores del talud. ................................................................. 113 Tabla 36: Cuadro del tipo de fallas. ...................................................................................... 113 Tabla 37: Cálculos y los resultados de análisis cinemático por Sub Sectores de Talud. ...... 114 Tabla 38: Los resultados de Análisis Cinemático. ................................................................ 115 Tabla 39: Resultados de la evaluación de estabilidad local para Horizontes Litoestratigráficos por Sub-Sectores se presentan en el siguiente cuadro. ............................ 116 Tabla 40: Propiedades de los planos principales. Sector en cuarcitas. ................................. 118 Tabla 41: Propiedades de las juntas. ..................................................................................... 118 Tabla 42: Resultados obtenidos con los sistemas de refuerzo que determinan la utilización de mallas galvanizadas ancladas para el cálculo de estabilidad de cuñas. ................................. 119 Tabla 43: Dimensiones de los bloques. ................................................................................ 127 Tabla 44: Parámetros máximos de la caída de bloques y fragmentos de roca...................... 131 Tabla 45: Resumen de los taludes proyectados, inestabilidad más probable y tratamiento propuesto en el Talud Superior de la ciudad Nueva Fuerabamba. ....................................... 132

xi

LISTA DE FIGURAS Figura 1: Ubicación de la Provincia de Cotabambas en el Departamento de Apurímac.......... 5 Figura 2: Ubicación Distrital Del Proyecto .............................................................................. 6 Figura 3: Partes de un talud. ................................................................................................... 12 Figura 4: Características de un macizo rocoso. ...................................................................... 13 Figura 5: Diferencia física entre suelo y roca. ........................................................................ 13 Figura 6: Ensayo de carga puntual. ........................................................................................ 17 Figura 7: Esclerómetro. .......................................................................................................... 17 Figura 8: Equipos para ensayo de carga puntual. ................................................................... 18 Figura 9: Máquina de compresión uniaxial. ........................................................................... 18 Figura 10: Clasificación de los macizos rocosos para su excavación. ................................... 20 Figura 11: Clasificación de los macizos rocosos para su excavación. ................................... 21 Figura 12: Mecanismos de rotura de un talud rocoso............................................................. 28 Figura 13: Mecanismos de rotura de planar. .......................................................................... 29 Figura 14: Geometría estereográfica de rotura planar de un talud. ........................................ 30 Figura 15: Geometría de rotura planar de un talud. ................................................................ 32 Figura 16: Falla en cuña. ........................................................................................................ 33 Figura 16.a: Esquema general de la falla en cuña. ................................................................ 34 Figura 16.b: Análisis cinemático de la falla en cuña (Hoek y Bray, 1981). .......................... 34 Figura 17: Grafico de un talud con falla cuñar (Hoek y Bray, 1981). ................................... 35 Figura 18.a: Falla por volteo ................................................................................................. 36 Figura 18.b: Esquema general de la falla al volteo. .............................................................. 37 Figura 18.c: Análisis cinemático de la falla al volteo (Norris y Wyllie, 1996) ...................... 37 Figura 18.d: Bloque de roca sobre plano inclinado. ............................................................... 38 Figura 18.e: Condiciones para el deslizamiento y volcamiento ............................................. 39 xii

de un bloque sobre un plano inclinado .................................................................................... 39 Figura 19: Dispositivos y sistemas de protección y seguridad para taludes. .......................... 45 Figura 20: Colocación de anclajes. ......................................................................................... 46 Figura 21: Efecto del agua. ..................................................................................................... 47 Figura 22.a: Métodos de remoción de rocas para estabilidad de talud................................... 47 Figura 22.b: Métodos de refuerzo para taludes de Roca. ....................................................... 48 Figura 23: Representación de la población. ............................................................................ 52 Figura 24: Ubicación de la Provincia de Cotabambas en el Departamento de Apurímac. ..... 58 Figura 25: Ubicación Distrital Del Proyecto. ......................................................................... 58 Figura 26: Ubicación del Proyecto. ........................................................................................ 59 Figura 27: Ubicación de Área Urbana. ................................................................................... 60 Figura 28: Mapa Geológico. .................................................................................................. 61 Figura 29: Mapa de sismicidad.............................................................................................. 66 Figura 30: Medición de rumbo y buzamiento de las discontinuidades. ................................. 74 Figura 31: Recopilación inicial de la ladera natural del talud, año 2013. .............................. 75 Figura 32: Vista de los trabajos de corte y banquetas preliminares del talud, año 2014. ....... 75 Figura 33: Plano de sectorización del talud ............................................................................ 77 Figura 34: Vista de la parte central del talud del Sector Sur. ................................................ 78 Figura 35: Suelos coluviales superficiales dispuestos en el arranque del talud. ................... 79 Figura 36: Detalle de la capa de carbón. ............................................................................... 80 Figura 37: Vista lateral del talud del Sector Norte excavado en cuarcitas. ........................... 80 Figura 38: Detalle de las cuarcitas intensamente fracturadas. ............................................... 81 Figura 39: Roturas superficiales y acumulación de derrubios al pié del talud. ..................... 81 Figura 40: Colocación de la roca a la Maquina extractor de testigo. .................................... 82 Figura 41: Maquina extractor de testigo de la roca. .............................................................. 82 xiii

Figura 42: (a) Maquina corta bloque. (b) rotura de roca en la máquina de corte y (c) testigo cortado a medidas nominales. .................................................................................................. 83 Figura 43: (a) Martillo de Smith y (b) determinación del # de Golpes. ................................. 84 Figura 44: Colocación de testigo para la carga puntual.......................................................... 84 Figura 45: Rotura de la carga puntual de testigo regular. ....................................................... 85 Figura 46: (a) Rotura de carga puntual de muestra irregular y (b) determinación de medidas para cálculo del volumen de roca irregular. ............................................................................. 85 Figura 47: Talud final al 1er año de funcionabilidad. ............................................................ 86 Figura 48: Talud final sin presencia de patologías. ................................................................ 87 Figura 49: Funcionabilidad de las medidas de sostenimiento de pernos y mallas. ................ 87 Figura 50: Verificación post-constructiva del comportamiento de las mallas y los subdrenajes, al 1er año de funcionabilidad. ............................................................................. 88 Figura 51.a: Análisis de estabilidad global realizado para la sección 0+170 a largo plazo sin sismo. ....................................................................................................................................... 98 Figura 51.b: Análisis de estabilidad global realizado para la sección 0+170 a largo plazo con sismo. ....................................................................................................................................... 99 Figura 52.a: Análisis de estabilidad global realizado para la sección 0+240 a largo plazo sin sismo. ..................................................................................................................................... 100 Figura 52.b: Análisis de estabilidad global realizado para la sección 0+240 a largo plazo con sismo. ..................................................................................................................................... 101 Figura 53.a: Análisis de estabilidad global realizado para la sección 0+300 a largo plazo sin sismo. ..................................................................................................................................... 102 Figura 53.b: Análisis de estabilidad global realizado para la sección 0+300 a largo plazo con sismo. ..................................................................................................................................... 102 Figura 54.a: Análisis de los datos estructurales en el Sector Sur. ........................................ 105 xiv

Figura 54.b: Análisis de estabilidad por rotura estructural en el Sector Sur. ....................... 106 Figura 54.c: Análisis de estabilidad por rotura estructural en el Sector Sur. ....................... 107 Figura 55.a: Estabilidad de cuñas. Combinación S0xJ3 (sin sismo). ................................... 120 Figura 55.b: Estabilidad de cuñas. Combinación S0xJ3 (con sismo). ................................. 120 Figura 55.c: Estabilidad de cuñas. Combinación S0xJ3 (con sismo y con refuerzo). .......... 121 Figura 56.a: Estabilidad de cuñas. Combinación S0xJ4 (sin sismo). ................................... 121 Figura 56.b: Estabilidad de cuñas. Combinación S0xJ4 (con sismo). ................................. 122 Figura 56.c: Estabilidad de cuñas. Combinación S0xJ4 (con sismo y con refuerzo). .......... 122 Figura 57.a: Estabilidad de cuñas. Combinación S0xJ5 (sin sismo). ................................... 123 Figura 57.b: Estabilidad de cuñas. Combinación S0xJ5 (con sismo). ................................. 123 Figura 57.c: Estabilidad de cuñas. Combinación S0xJ5 (con sismo y con refuerzo). .......... 124 Figura 58.a: Estabilidad de cuñas. Combinación J3XJ4 (sin sismo).................................... 124 Figura 58.b: Estabilidad de cuñas. Combinación J3XJ4 (con sismo). ................................. 125 Figura 58.c: Estabilidad de cuñas. Combinación J3XJ4 (con sismo y con refuerzo). .......... 125 Figura 59.a: Estabilidad de cuñas. Combinación J4xJ5 (sin sismo). ................................... 126 Figura 59.b: Estabilidad de cuñas. Combinación J4xJ5 (con sismo). .................................. 126 Figura 60.a: Cálculo de caída de bloques (6 kg) a una velocidad de 6 m/s. ........................ 127 Figura 60.b: Cálculo de caída de bloques (30 kg) a una velocidad de 6 m/s. ...................... 128 Figura 60.c: Cálculo de caída de bloques (600 kg) a una velocidad de 6 m/s. ..................... 128 Figura 60.d: Cálculo de caída de bloques (30 kg) a una velocidad de 15 m/s en la zona superior de la ladera. .............................................................................................................. 129 Figura 60.e: Cálculo de caída de bloques (30 kg) a una velocidad de 15 m/s en la zona media de la ladera con medidas de sostenimiento. ................................................................ 130 Figura 60.f: Cálculo de caída de bloques (30 kg) a una velocidad de 3 m/s en la zona inferior de talud, con medidas de sostenimiento. ................................................................... 131 xv

RESUMEN En los análisis de los taludes de roca, las inestabilidades están presentes debidos a las características geomecánicas del macizo rocoso, al estado de conservación del propio talud y a las condiciones de penetración del agua. Diferentes tipos de roturas están condicionados por el grado de fracturación del macizo rocoso y por la orientación y distribución de discontinuidades con respecto al talud, quedando propensa la inestabilidad de los parámetros resistentes de las discontinuidades y de la matriz rocosa.

El objetivo de la investigación es identificar, controlar y corregir los elementos que pueden ser inestables en un talud rocoso. Por el cual se tomó la muestra de un sector del talud que comprende desde la P.K 0+ 000 – P.K. 0+340, el cual se sectorizo a través de 3 secciones transversales, que a la vez han sido identificados y evaluados con 84 estaciones de mapeos geomecánicas en el sector Sur.

Se realizaron tomas de muestras en campo, mapeos geomecánicos, identificación de tipo de rocas, ensayos de laboratorio, determinación de la compresión uniaxial de la roca, cálculos de cohesión, fricción y RMR; para así optar prevenir la caída de bloques sueltos mediante medidas de estabilidad.

Al realizar el análisis para la estabilidad de taludes usando mallas galvanizadas ancladas ha sido determinantes y óptimos en los modelos comparativos resultando F.S. mayores 1.5 que son los mínimos permitidos según la Norma E050 de suelos y cimentaciones y que a la vez los cálculos se han realizado para condiciones estáticas (sin sismo) y para condiciones Pseudoestáticas (con sismo), considerando aceleración de diseño 0.15 g, que corresponde al 50% del valor de la aceleración máxima 0.30 g, indicada para la Zona del Proyecto en la Norma E030 “Diseño Sismorresistente”.

Utilizando las mallas galvanizadas ancladas se puedo determinar una mejor estabilidad de taludes rocosos a largo plazo bajo los parámetros sísmicos y así obtener resultados de factores de seguridad con los métodos globales como son:

F.S = 2.5 sin

aceleración sísmica y F.S = 1.9 con aceleración sísmica, ya que con la utilización de mallas galvanizadas y pernos de anclaje valores por encima a F.S = 5.24 (con sismo y con refuerzo). xvi

INTRODUCCIÓN

La presente investigación ha sido iniciado durante los meses de enero y febrero de 2014 ya que a principios del año 2013 se definió la Ingeniería Básica del talud Sur de la Nueva Ciudad de Fuerabamba, por el cual a partir de la premisa de determinar un análisis de estabilidad de taludes rocosos a largo plazo se optó inicialmente por el diseño geométrico del talud como tratamientos requeridos para garantizar su estabilidad ya que a la vez se determinó por usar sistemas de sostenimiento y estabilidad de taludes a largo plazo.

Dado que en el área de estudio del talud se iba asentar una nueva ciudad por el impacto de la minería Las Bambas; esto optó a que dicho talud después de tener un corte de plataformado no iba garantizar la estabilidad de la caída de rocas hacia la parte baja donde se asentaría la nueva ciudad de Fuerabamba.

La geometría del talud realmente construido diverge de la diseñada inicialmente, lo que obliga a rediseñar los tratamientos que requiere todo talud rocoso; fundamentalmente con medidas de sostenimiento y drenaje.

Así pues, el objeto de esta tesis ha sido analizar y diseñar los tratamientos necesarios para asegurar la estabilidad del talud Sur de la Nueva Ciudad de Fuerabamba de un nivel de Ingeniería Básica con la geometría realmente construida a un nivel de ingeniería Geotécnica. Concretamente este diseño se ha efectuado sobre la geometría del talud definida inicialmente por los planos as-built proporcionado y recopilado el 10/04/2013.

Esta tesis de investigación consta de tres partes principales, un informe descriptivo en la que se comenta el estado del talud y se proponen los tratamientos que se estiman oportunos y necesarios, anexos de cálculo donde se justifican y dimensionan el uso de las mallas galvanizadas ancladas y unos planos en los que se detallan estos tratamientos.

La finalidad de la investigación es mejorar la estabilidad de taludes rocosos y garantizar la estabilidad usando mallas galvanizadas ancladas y que a la vez son anexadas a los sistemas de drenajes que resultaran eficaces para la estabilización de taludes a largo plazo bajo los modelamientos de los parámetros sísmicos. xvii

La investigación consta de cinco capítulos:

Primer capítulo, se realiza el planteamiento de la investigación donde se contempla la problemática, objetivos, justificación, delimitación de la investigación y la formulación de la hipótesis; los que se corroboran luego de realizar la presente investigación.

Segundo capítulo, se describe los antecedentes

regionales, nacionales

e

internacionales con respecto a algunos métodos similares que son utilizados para estabilizar taludes en roca. En

las bases teóricas se

tocan puntos fundamentales para

la

investigación como: estabilidad de taludes, características geomecánicas en taludes rocosos, propiedades físicas y químicas de rocas, taludes rocosos inestables, mecanismos de falla de un talud, causas de desestabilidad de taludes, parámetros geotécnicos de diseños y análisis para estabilidad de taludes en roca.

Tercer capítulo, denominado marco metodológico, se detalla acerca del tipo de investigación, la cual se caracterizó por ser fundamentalmente de campo, laboratorio y procesamiento de datos; en cuanto al tipo y al diseño.

Se presentan también aquí, la

población, la muestra, instrumentos para la recolección y el análisis de los datos.

Cuarto capítulo, resultados de la investigación y aplicación con los cuales se generaron cuadros comparativos de las características geomecánicas de las rocas según los cuadros comparativos del factor de seguridad para el análisis de estabilidad de taludes, los ensayos que se realizaron: análisis de porosidad de la rocas, estaciones microtécnicos de las rocas, análisis de compresión uniaxial de rocas y caracterización geomecánicas de las rocas con los cálculos del RMR según Bieniawski y SMR según Romana.

Quinto capítulo, se describen todas las conclusiones y recomendaciones a las que se alcanzó llegar mediante la elaboración de la investigación; finalmente se anexa los resultados de los ensayos de laboratorio, los análisis geomecánicas de las rocas, análisis de estabilidad, diseños para estabilidad de taludes rocosos y planos de detalles de la utilización de mallas galvanizadas ancladas.

xviii

CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Hace décadas atrás y en los últimos años se han intensificado la explotación minera, hecho que ha llevado a la ejecución de obras civiles de manera multidisciplinaria para planear y ejecutar proyectos como; carreteras, puentes, canales, presas, túneles, construcción de ciudades y demás infraestructuras a nivel nacional, enfocados básicamente al área de Movimiento de tierras, donde se realizan cortes de ladera natural y taludes en suelo-roca para así determinar los estudios y tratamientos respectivos a los estratos encontrados. El centro poblado las Bambas ubicado en la región sierra del departamento de Apurímac a una altura de 4000 msnm. Se encuentra asentado sobre yacimientos mineros importantes que obligan a desarrollar una minería a tajo abierto, en consecuencia, fue necesario la reubicación de toda la población a 15 Km. Sur-Este del lugar de origen donde se acento el nuevo centro poblado denominado “Ciudad Nueva Fuerabamba” con una extensión de 1.3 Km2. Donde se encontró diversos tipos de suelos sectorizados en Sector Sur (predominio de rocas cuarcitas, limonitas, areniscas y capa de carbón), Sector Centro suelo (suelo cuaternario), Sector Centro Roca (formación coluvial), Sector Norte Tobas (predominio de areniscas tobáceas) y Norte Cuarcitas (predominio de cuarcitas microtectonizadas). Debido a la magnitud del proyecto se eligió para realizar el trabajo de investigación en el Sector Sur de la progresiva 0+000m. al 0+340m. con predominio de material rocoso. Después de un año de ejecución y a causa de diversos factores internos (discontinuidades, fallas geológicas, presencia de agua y exceso de presión de poros) y factores externos (movimientos telúricos, erosiones, cambio de temperaturas, lluvias, fenómenos climatológicos y tiempo), se produjo el desprendimiento de rocas sueltas y parte del material suelto en una zona donde no se había previsto suceda dicho derrumbe; por lo que ante este hecho se tuvo la necesidad de proteger la zona utilizando mallas galvanizadas de alta resistencia. En el presente trabajo se realizó estudios en base a la información geológica y geotécnica que serán aplicados a los diseños para el tratamiento y estabilidad de taludes de la Ciudad Nueva Fuerabamba – Apurímac - Perú, enfocados desde un diseño geométrico (ingeniería básica) y llevados a un diseño geotécnico (ingeniería geotécnica), para garantizar su estabilidad a largo plazo; fundamentalmente con medidas de sostenimiento y drenaje.

1

En la actualidad se vienen realizando diversos tipos de análisis para estabilidad de taludes, según la ingeniería básica (estudio Geológico) que incluye desde un inicio el diseño geométrico de estabilidad ante posibles desprendimientos de suelo y roca de los taludes frente a diversos factores. Ya que esta problemática parte de los derrumbes ocasiones a inicios del año 2012, Por lo que se refiere a la geología regional, la zona se dispone en la parte centro-sur de la Sierra Peruana, en la ladera Este de la Cordillera Oriental. Esta Sierra se compone por rocas sedimentarias cretácicas, intruidas por granodioritas del Batolito de Abancay. Sobre este sustrato rocoso se disponen depósitos de flujos de la Cadena Volcánica del Sur y depósitos cuaternarios morrénicos, Flavio-glaciares, coluviales y aluviales. A una escala de mayor detalle, el talud objeto del informe excava la ladera oriental del cerro Pucará, compuesta por rocas sedimentarias y volcano-sedimentarias de la Formación Murco, a excepción de un sector central en el que se han excavado suelos cuaternarios muy heterogéneos y de marcado carácter arcilloso. Por último, se establecen unas recomendaciones para controlar el comportamiento del talud una vez concluida su construcción. El comportamiento post-constructivo de los taludes excavados en suelos es muy distinto al de los taludes excavados en roca, por lo que se propone un plan de monitoreo para el Sector suelos, y un plan de seguimiento para los restantes sectores excavados en roca. 1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 1.2.1. PROBLEMA GENERAL  ¿Cómo el diseño para estabilidad de taludes en roca utilizando mallas galvanizadas

ancladas genera mejor comportamiento y resistencia en los

taludes? 1.2.2. PROBLEM AS ESPECÍFICOS  ¿Cuál de los métodos de equilibrio límite entre los exactos y no exactos lograría mejor resultado para la estabilidad de taludes rocosos?  ¿De qué forma influye la variabilidad de diferentes estratos de roca en el análisis para la estabilidad de taludes?  ¿Cómo influye el uso de mallas galvanizadas ancladas para la estabilidad de taludes con estrato rocoso? 2

1.3. OBJETIVOS 1.3.1. OBJETIVO GENERAL  Determinar el análisis del diseño para estabilidad de taludes en roca utilizando mallas galvanizadas ancladas que generen mejor comportamiento y resistencia en los taludes. 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Evaluar y analizar los cálculos del diseño de un talud en roca mediante los métodos de equilibrio límite entre exactos y no exactos.  Determinar cómo influye a variabilidad de diferentes estratos de roca en el análisis del diseño para la estabilidad de taludes.  Determinar la influencia del uso de mallas galvanizadas ancladas para la estabilidad de taludes con estrato rocoso. 1.4. JUSTIFICACIÓN 1.4.1. JUSTIFICACIÓN METODOLÓGICA Se muestra la metodología para el análisis de la estabilidad de taludes en roca a través de mapeos geomecánicos realizados en campo con 84 estaciones para así identificar el tipo de roca, determinar la compresión uniaxial de la roca y los ensayos de laboratorio, dado así determinar la estabilidad de taludes en roca. Así mismo también se explica la metodología de la utilización de mallas galvanizadas ancladas para ser usada como una alternativa de solución para la estabilización de taludes en roca desde la progresiva KM 0+000 - KM 0+340 del talud de la ciudad nueva Fuerabamba. 1.4.2. JUSTIFICACIÓN PRÁCTICA Las utilizaciones de mallas galvanizadas ancladas mejoran la estabilidad de taludes en roca y garantizan el sistema de sostenimiento de caídas de rocas a largo plazo, mejorando las condiciones de vida a la población aledaña. Durante los años que trabaje como ingeniero de producción y oficina técnica en la Obra. “Mejoramiento y estabilidad del talud de la ciudad Nueva Fuerabamba”, observé que en el precorte inicial que se tuvo el talud no garantizaba las caídas y desprendimiento de rocas hacia el plataformado y la carretera que colindaba por la parte baja de la construcción 3

del nuevo centro poblado, por ello opté en mejorar el análisis para tratamiento y estabilidad de taludes en roca, usando mallas galvanizadas ancladas. 1.4.3. JUSTIFICACIÓN SOCIAL El análisis para la estabilidad de taludes en roca, genera un impacto social fuerte ante los fenómenos naturales, como los movimientos telúricos, factores climatológicos, la caída de huaicos, derrumbes y desprendimiento de rocas tanto a las carreteras y ciudades colindantes generando pérdidas materiales, económicas y humanas de las poblaciones vulnerables a este tipo de inestabilidades generando desastres. Es así que se justifica una estabilidad a largo plazo en mejora de los intereses de la población y sociedad.

1.5. DELIMITACIÓN 1.5.1. CONCEPTUAL La presente investigación se encuentra enmarcada en el ámbito de la Ingeniería Civil dentro del área de geotecnia y geomecánica de rocas.

En cuanto al desarrollo de la

investigación se realizó un levantamiento topográfico, estudio de mecánica de rocas, mapeos geomecánicos en campo para determinar las propiedades físicas, mecánicas y características geomecánica de la roca. Donde las utilizaciones de mallas galvanizadas ancladas han garantizado los factores de seguridad del talud mayores a 1.50 que determina la norma 050 de suelos y cimentaciones. Ya que finalmente los diseños para los tratamientos de sostenimiento de caídas de rocas usando mallas galvanizadas son las que determinan mejor estabilidad a largo plazo.

1.5.2. ESPACIAL El presente trabajo de investigación se llevará a cabo en el talud del nuevo centro poblado denominado ciudad Nueva Fuerabamba de la progresiva KM 0+000 - KM 0+340, que se compone mayoritariamente por estratos decimétricos a métricos de cuarcitas que buzan hacia el Suroeste, esto es, hacia el interior del talud, que se orienta hacia el Este. Entre las capas cuarcíticas aparecen niveles métricos de menor competencia de naturaleza areniscosa y limolítica, destacando la intercalación de una capa de carbón de espesor variable que oscila entre 2 y 5 m. La Nueva Urbanización de Fuerabamba, políticamente se encuentra ubicada en el departamento de Apurímac, provincia Cotabambas, distrito de Chalhuahuacho (ver figura N° 1). 4

Geográficamente la zona en estudio se localiza (tomando como referencia el centro de gravedad) en las siguientes coordenadas (Sistema WGS84 – Zona 18S):

Tabla 1: Ubicación Geográfica (Coordenadas Utm) DESCRIPCIÓN Talud NFB

ESTE

NORTE

799 111

8 435 355

Fuente: Elaboración propia.

Ubicación Provincial Distrito: Challhuahuacho

Ubicación Nacional Región: Apurímac

Ubicación Regional Provincia: Cotabambas Fuente: Elaboración propia

Fuente: Elaboración propia del portal del Perú – Municipalidad Provincial de Cotambambas – Apurímac Figura 1: Ubicación de la Provincia de Cotabambas en el Departamento de Apurímac.

5

ZONA EN ESTUDIO

Fuente: Elaboración propia del portal del Perú – Municipalidad Provincial de Cotambambas – Apurímac. Figura 2: Ubicación Distrital Del Proyecto El área de estudio de la zona donde se analizan las alternativas del Área Urbana corresponde al Valle del rio Chila (Qda Yuracmayo), específicamente en la ladera izquierda (Este) del Valle que se caracteriza con cotas de nivel de 3800 msnm en el cauce del rio hasta 4000 msnm en las cumbres rocosas del Valle. 1.5.3 TEMPORAL El presente estudio de se realizó en 35 meses, desde el mes de enero del 2014 hasta diciembre del 2016. 1.6. FORMULACIÓN DE LA HIPÓTESIS 1.6.1. HIPÓTESIS GENERALES 

Con la aplicación del diseño para estabilidad de taludes en roca utilizando mallas galvanizadas ancladas, será el que proporciona mejor comportamiento y resistencia en los taludes.

1.6.2. HIPÓTESIS ESPECÍFICOS 

Los métodos de equilibrio límite exactos y no exactos son los indicados para evaluar y analizar el diseño de taludes en roca.



Los diferentes estratos de rocas influyen en la estabilidad de taludes. A mayor variabilidad de estratos, se presenta múltiples tipos de fallas y desprendimientos de rocas.



Existe influencia del uso de mallas galvanizadas ancladas para la estabilidad de taludes con estrato rocoso. 6

CAPITULO II: MARCO TEÓRICO 2.1. ANTECEDENTES: 2.1.1. ANTECEDENTE INTERNACIONAL: (Svetlana Melentijevic, Tesis doctoral, J. MADRID, 2005, Universidad Politécnica de Madrid); artículo de investigación del Tesis Doctoral, “ESTABILIDAD DE TALUDES EN MACIZOS ROCOSOS CON CRITERIOS DE ROTURA NO LINEALES Y LEYES DE FLUENCIA NO ASOCIADA”. La mayor parte de los problemas de análisis para estabilidad de taludes en macizos rocosos, tanto con hipótesis de deslizamiento plano como con deslizamiento circular, suelen considerar el criterio de rotura lineal de Mohr - Coulomb, o el criterio empírico de rotura no lineal de Hoek & Brown. En general, todos estos procedimientos suelen suponer una ley de fluencia asociada. Sin embargo, el valor del coeficiente de seguridad de un talud se sobreestima siempre y cuando se emplea la hipótesis de la ley de fluencia asociada tanto bajo un criterio de rotura lineal, como bajo un criterio de rotura no lineal. El presente trabajo determino conocer la influencia del ángulo de dilatancia a la estabilidad general de taludes, empleando para ello un criterio de rotura no lineal. También aporta nuevas herramientas de cálculo para el análisis de estabilidad de taludes rocosos. Las hipótesis básicas incluidas en este estudio son que:  Se analiza un talud rocoso en términos bidimensionales.  Estudia tanto el deslizamiento plano como el deslizamiento circular.  El deslizamiento del talud se produce por una superficie que pasa por el pie, implicando así el cuerpo entero del mismo. El presente trabajo de grado pudo analizar variables cuantitativas en una investigación donde se determinó que este estudio es válido para taludes en macizos rocosos homogéneos e isótropos, lo cual es imprescindible para poder aplicar el criterio de rotura de Hoek & Brown. Es decir, preferentemente es aplicable a los macizos rocosos de muy baja calidad que se pueden clasificar casi como suelos duros, o para macizos rocosos muy fracturados, en los cuales la estabilidad no está condicionada por unos defectos singulares del macizo rocoso. En este trabajo se puso de manifiesto la influencia de la hipótesis de no asociatividad. Como era de esperar empleando la ley de fluencia no asociada se obtienen los valores del factor de seguridad (FS) menores que con la ley de fluencia asociada. Por tales motivos se recomienda

7

uso de sistemas de sostenimiento, como precorte, tendido de taludes, sostenimientos sistematizados como mallas y pernos de anclaje. Barreras dinámicas y muros de contención.

(Méndez, Marc, Ferre, Anna, Marín, Josep, INACCÉS GEOTÉCNICA VERTICAL, SL.,

FERROCARRILS

DE

LA

GENERALITAT

DE

CATALUNYA

y

ARS

GEOTÉCNICA, SL. Catalunya 2006), ponencia de investigación “TRATAMIENTO DE LOS TALUDES Y LADERAS MONTAÑOSAS DEL FERROCARRIL DE LLEIDA A LA POBLA DE SEGUR”. En esta investigación se presentan algunos de los trabajos más representativos de estabilización y protección frente a desprendimientos rocosos, que Inacces Geotécnica Vertical, SL ha realizado en el ferrocarril Lleida-La Pobla de Segur, entre los años 2006 y 2.009 y que por la singularidad de la infraestructura y su orografía, han necesitado de técnicas altamente especializadas en el campo de la estabilización de taludes y laderas utilizando métodos de trabajos verticales con materiales, sistemas de sostenimiento y maquinaria pesada. La singularidad de las obras y la forma de abordarlas, creemos interesante ponerlas a exposición pública, puesto que pueden aportar valiosa información a los profesionales del sector. (GEOLOGÍA DE MALLORCA S.L. – Mallorca 2006) “ESTUDIO ESTABILIDAD DE TALUDES - CANTERA COMA DE S’AIGUA, (CAMPANET)”. El objeto de este estudio es determinar la estabilidad del talud que conforma el margen derecho de la cantera ya que podrían afectar a un camino de acceso perteneciente a una finca privada colindante. Se realizaron visita a la zona y, ayudándose de la información consultada, se han valorado los parámetros de entorno: climatología de la zona, tectónica, geomorfología regional, hidrogeología, sismicidad. Se llevaron a cabo cinco estaciones geomecánicas, con medida de discontinuidades mediante brújula inclinométrica. Para cada familia de discontinuidades se han medido la dirección de buzamiento, el buzamiento, el espaciado, la continuidad, apertura, rugosidad, resistencia y espesor de los rellenos, y se ha realizado una valoración de las filtraciones. En cada una de las estaciones geomecánicas realizadas se han tomado varias medidas de la resistencia de los materiales con la ayuda de un esclerómetro. Además, se tomó una muestra representativa del material de la matriz del macizo rocoso y se llevó a laboratorio 8

homologado para determinar su densidad. Con los resultados de los ensayos de campo y de laboratorio, así como con los datos recogidos in situ, se han valorado todas aquellas causas tanto extrínsecas como intrínsecas al talud que pueden intervenir en los procesos de inestabilidad. Una vez conocidas las posibles causas, se ha procedido a recomendar una serie de medidas correctoras y protectoras para el talud. 2.1.2. ANTECEDENTE NACIONAL: José David Rodríguez Copare, Dante Ulises Morales Cabrera y Luisa Paredes Lupaca (2003), “EVALUACIÓN DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES EN LA MINA LOURDES-TACNA”. La mina LOURDES, explota recursos no metálicos por el método de Canteras a cielo abierto, ocasionando grandes modificaciones al perfil original del terreno, con el fin de mejorar las explotaciones debe implementar un método de minado superficial por bancos que permita un mejor control de la estabilidad del terreno. Esto implica la necesidad de establecer los parámetros geomecánicos y establecer los dominios geotécnicos del área de la explotación que permitan un diseño seguro de bancos y taludes en roca y en los botaderos de desmonte. Con el objeto de obtener resultados óptimos en el manejo de taludes en operaciones mineras, obras civiles o riesgos geodinámicos; se recomienda la aplicación de modelo de Gestión de Taludes. El cual constituye un procedimiento organizado para el control económico y seguro de taludes que permitan mejorar la rentabilidad económica de una operación minera superficial; la vida útil de una obra civil o minimizar el riesgo geodinámico de un deslizamiento de suelos o rocas. Dado esto se procedió al análisis de estabilidad para la condición de máximo encampane, es decir de 60 m (98 pies) de alto; estimando las fuerzas que tienden a producir el deslizamiento y las fuerzas resistentes. Obteniéndose un Factor de Seguridad de 2.13, lo que manifiesta la estabilidad de diseño para cada banco final propuesto en la pared Sur de la cantera. Dr. Jorge e. Alva Hurtado (2005) “Estabilidad de taludes de roca”. Este estudio fue básicamente aplicado los diferentes tipos de roturas que están condicionados por el grado de facturación del macizo rocoso y por la orientación y distribución de discontinuidades respecto al talud, quedando la estabilidad definida por los parámetros resistentes de las discontinuidades y de la matriz rocosa.

9

Se aplicaron los métodos de refuerzo para taludes en roca: o Barra de concreto reforzado para prevenir el aflojamiento de losas en la cresta. o Muro anclado para prevenir aflojamiento en la zona fallada. o Instalación de pernos y mallas ancladas. o Concreto lanzado para prevenir caída de roca fracturada. o Dren para reducir la presión de poros dentro del talud. o Apoyo de concreto para soportar roca por encima de cavidad. Donde se usaron medidas de protección: Medidas Activas: 

Instalación de pernos y anclaje para fijación de bloques.



Instalación de sistemas de cable y mallas metálicas fijados o anclados a la ladera.

Medidas Pasivas: 

Mallas metálicas para guiado de pequeños bloques desprendidos.



Cunetas o zanjas para recoger bloques caídos.



Muros de tierra



Vallas estáticas para frenado y contención de los bloques.



Vallas y barreras dinámicas.

Aplicación del sistema en los proyectos: 

CARRETERA CENTRAL HÉROES DE LA BREÑA (Km. 67+900 – 67+960) – TRAMO 2 COCACHACRA MATUCANA.



ENMALLADO CARRETERA JAEN – CHAMAYA.

Asesores y Consultores Mineros S.A. “CIA. MINERA LOS CHUNCHOS S.A.C. ESTUDIO DE ESTABILIDAD DE TALUDES PARA EL TAJO LOMO DE CORVINA – MINA PICHITA”. La elaboración del presente Estudio de Estabilidad de Taludes del Tajo, tiene los siguientes objetivos:  Cumplir con las normas legales ambientales vigentes en concordancia con la Política Ambiental de la empresa.  Establecer las bases técnicas de estabilidad de taludes del tajo.  Caracterizar el macizo rocoso para el diseño de talud. 10

 Realizar el análisis de estabilidad y diseño de taludes del tajo abierto.  Diseñar la construcción de taludes.

El Alcance del Estudio, es la evaluación de la estabilidad física de taludes de los bancos de explotación del proyecto Pichita-Caluga. Los parámetros usados para la clasificación del macizo rocoso son: resistencia de la roca intacta que correlaciona la dureza del macizo rocoso, grado de fracturamiento definido por Deere mediante el RQD, espaciamiento promedio del sistema dominante el cual definirá en el espacio los tamaños de bloques que se generen y que viene a ser la distancia perpendicular entre dos fracturas de un mismo sistema, las condiciones de las discontinuidades que involucran a la: apertura que viene a ser la abertura entre las paredes de la discontinuidad, rugosidad que mide el grado de aspereza, persistencia que es la tendencia de cuán grande puede ser la discontinuidad, relleno que es el material que se encuentra dentro de la discontinuidad y el grado de alteración que está en función de las condiciones climatológicas de la zona y a la vez se muestra la salida del programa SLIDE 5.0, así como los factores de seguridad obtenidos en condición estática y seudo-estática.

2.2. BASES TEÓRICAS 2.2.1. ESTABILIDAD DE TALUDES La estabilidad de taludes es la teoría que estudia la estabilidad o posible inestabilidad de un talud a la hora de realizar un proyecto, o llevar a cabo una obra de construcción de ingeniería civil, siendo un aspecto directamente relacionado con la geotecnia. En el planteamiento de medidas efectivas de taludes es importante entender las causas de la inestabilidad.

El conocimiento del comportamiento de un talud frente a sus posibles roturas, repercute enormemente en los cortes y en la seguridad, por ello, las investigaciones de campo (in situ) y de laboratorio, deben ser las suficientes, como para poder caracterizar en la medida de lo posible las características geomecánicas del terreno, así como los posibles mecanismos de rotura. (Herrera, F. GEOTECNIA 2000, p3).

11

La inestabilidad de un talud, se puede producir por un desnivel, que tiene lugar por diversas razones: 

Razones

geológicas:

laderas

posiblemente

inestables,

orografía

acusada,

estratificación, meteorización, etc. 

Variación del nivel freático: Situaciones estacionales, u obras realizadas por el hombre.



Obras de ingeniería: Rellenos o excavaciones tanto de obra civil, como de minería.

Los taludes además serán estables dependiendo de la resistencia del material del que estén compuestos, los empujes a los que son sometidos o las discontinuidades que presenten. Los taludes pueden ser de roca o de tierras. Ambos tienden a estudiarse de forma distinta. Talud: Inclinación o pendiente de un terreno que queda al excavar.

Fuente: Asociación de Ingenieros de Minas del Ecuador. Figura 3: Partes de un talud. 2.2.2. COMPOSICIÓN DE SUELOS Y ROCAS: 2.2.2.1. MACIZO ROCOSO Es un conjunto de bloques de matriz rocosa y de las discontinuidades de diverso tipo que afectan al medio rocoso. (Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p.123).  Un medio discontinuo.  Bloques de roca intacta + discontinuidades (fracturas, planos de estratificación, fallas planas de debilidad, etc.). 12

El Macizo rocoso

Macizo rocoso

Fuente: Elaboración propia. Figura 4: Características de un macizo rocoso.

Diferencia entre suelo y roca:  Las rocas: son agregados naturales compuesto de partículas de uno o más minerales, con fuertes uniones cohesivas permanentes, que constituyen masas geológicamente independientes y cartografiables. (Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p.121).  Los suelos: según su acepción geotécnica, son agregados naturales de partículas minerales granulares y cohesivas separables por medios mecánicos de poca energía. (Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p.121). Terminología y diferencia entre suelo y roca

Fuente: (Asociación de Ingenieros de minas de Ecuador) Figura 5: Diferencia física entre suelo y roca. 13

Clasificación de suelos y rocas: Tabla 2: Clasificación de resistencia de suelos y rocas a partir de índices de campo. Grado

Descripción

S1

Arcilla muy blanda

S2

Arcilla blanda

S3

Arcilla media

S4

Arcilla semidura

S5

Arcilla dura

S6

Arcilla muy dura

R0

Roca extremadamente débil

R1

Roca muy débil

R2

Roca débil

R3

Roca medianamente resistente

R4

Roca fuerte

R5

Roca muy fuerte

R6

Roca extremadamente resistente

Identificación en campo Penetrada fácilmente varias pulgadas por el puño. Penetrada fácilmente varias pulgadas por el dedo pulgar. Penetrada varias pulgadas por el dedo pulgar, usando esfuerzo moderado. Deja fácilmente hendidura por la acción del dedo pulgar, pero penetra solamente con gran esfuerzo. Mellada fácilmente por la uña del pulgar. Mellada con dificultad por la uña del pulgar. Mellada por la uña del pulgar. Se disgrega por golpes fuertes de la punta de la piqueta; puede ser desconchada por una navaja. Puede ser desconchada por una navaja, con dificultad. No puede ser rayada o desconchada por una navaja, la muestra puede ser fracturada por un golpe fuerte de la punta de la piqueta. La muestra requiere más de un golpe de la piqueta para fracturarla. . La muestra requiere varios golpes de la piqueta para fracturarla. La muestra puede ser solamente astillada por la piqueta.

Resistencia a la compresión simple (MPa)

Resistencia a la compresión simple (Kg/cm2)

2549

Fuente: (ISMR 1981).

Clasificación geológica general de las rocas. 1. Rocas sedimentarias: Detríticas: Arenisca, lutita, limolita, conglomerado. Químicas: evaporitas, caliza y dolomía. Orgánica: caliza, carbón, coralíferas. 2. Rocas Ígneas: Plutónicas: granito, gabro y diorita. Volcánicas: basalto, andesita y riolita. 3. Rocas metamórficas: Masivas: cuarcita y mármol. Foliadas: pizarra, filita, esquisto, gneis. 14

2.2.3. CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS  Matriz Rocosa: es el material rocoso exento de discontinuidades, o los bloques de roca “intacta” que quedan entre ellas, se caracteriza por su peso específico, deformabilidad y resistencia. (Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p.123).  Discontinuidad: es cualquier plano de origen mecánico o sedimentario en un macizo rocoso, generalmente con una resistencia a la tracción muy baja o nula. La presencia de discontinuidades implica un comportamiento no continuo del macizo rocoso. (Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p.123).  Macizo Rocoso: es el conjunto de matriz rocosa y discontinuidades. La presencia de discontinuidades de diverso tipo le da al macizo rocoso un carácter heterogéneo y un comportamiento no continuo. (Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p.123). 2.2.3.1. CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS.  Clasificación de Bieniawaski (RMR)  Clasificación de Barton (Q)  Clasificación de Romana (SMR)  Clasificación de Hoek y Brown (GSI) 2.2.4. PARÁMETROS GEOTÉCNICOS 2.2.4.1. PROPIEDADES FÍSICAS O ÍNDICE DE LAS ROCAS QUE INFLUYEN EN LA ESTABILIDAD DE TALUDES 2.2.4.1.1. Porosidad (n):

Rocas sedimentarias: • Factor responsable: poros • Puede oscilar entre 0 < n < 90% • n disminuye con la profundidad • n depende del material cementante. Rocas ígneas y metamórficas: • Factor responsable: fisuras. • Normalmente, n < 1- 2%. • n aumenta con la meteorización (desgaste) hasta 20% o más. • Menos porosas: ígneas extrusivas. 15

Dónde: n afecta negativamente a las propiedades de resistencia. (Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p.128). 2.2.4.1.2. Densidad (ρ) y Peso Específico (γ). Norma (ASTM #12-70)

o El rango de variabilidad del peso específico de las rocas es mucho mayor que el de los suelos. o Propiedad importante en Ingeniería de Minas:  Está ligado a la tensión vertical σv= γ.z  Está relacionado al rendimiento de los equipos de excavación. 2.2.4.1.3. Permeabilidad: 

Indica la mayor o menor facilidad con que el agua fluye a través de la roca. La mayoría de las rocas presentan permeabilidades bajas a muy bajas.



Valores de K comprendidos entre 10-5 y 10-13 m/s. (Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p.128).

2.2.4.1.4. Durabilidad: (Alterabilidad) Es la resistencia que la roca presenta ante los procesos de alteración y desintegración. La durabilidad de la roca aumenta con la densidad y se reduce con el contenido de agua. (Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p.129).

2.2.5. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS 2.2.5.1. Resistencia a la Compresión Uniaxial (σc) Es el máximo esfuerzo que soporta la roca sometida a compresión uniaxial. Se determina sobre una probeta cilíndrica sin confinar en el laboratorio: (Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p.130). o Parámetro geotécnico más citado. o No es una propiedad intrínseca del material. o Pueden realizarse ensayos en laboratorio sobre muestras cilíndricas con una relación h/Ø > 2, o también a través del ensayo de carga puntual. 16

La metodología experimental puede seguir la norma ASTM D3148-86 Propiedades de Índice ( σ c) Índice de Resistencia de Carga Puntual

Donde: P : carga de rotura D : distancia entre las puntas de los conos o Probetas cilíndricas de 50 mm, con una longitud al menos de 1,4 veces el diámetro: σc = 24 Is(50). o No es adecuado para rocas blandas.

Fuente: (Norly Belandia – departamento de geomecánica) Figura 6: Ensayo de carga puntual.  Equipos para ensayo de carga puntual

Fuente: (Elaboración propia) Figura 7: Esclerómetro.

17

Fuente: (Elaboración propia) Figura 8: Equipos para ensayo de carga puntual.  Máquina de compresión uniaxial.

Fuente: (asociación de Ingenieros de minas de Ecuador) Figura 9: Máquina de compresión uniaxial.

18

Tabla 3: Clasificación de las rocas según su resistencia a la compresión uniaxial (Mpa).

ROCA

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN UNIAXIAL (MPa)

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN UNIAXIAL (Kg/cm2)

Andesita Anfibolita Anhidrita Arcilla esquistosa Arenisca Basalto Caliza Corneana Cuarcita Dacita Diabasa Diorita Dolomia Esquisto Gabro Gneis Granito Granodiorita Grauvaca Marga Mármol Micaesquisto Pedemal Pizarra Porfido Plolita Sal

40 - 320 210 - 520 42 39 - 54 4 - 320 15 - 420 4 - 330 34 - 120 90 - 470 80 - 160 120 - 500 86 - 340 36 - 560 12 - 230 150 - 280 42 - 250 10 - 300 100 - 280 27 - 61 3 - 197 47 - 240 20 - 65 120 - 150 27 - 320 140 - 250 80 - 160 21 - 35

408 - 3263 2141 - 5303 428 398 - 551 40.8 - 3263 153 - 4283 40.8 - 3365 347 - 1224 918 - 4792 816 - 1632 1224 - 5099 877 - 3467 367 - 5710 122 - 2345 1530 - 2855 428 - 2549 102 - 3059 1020 - 2855 275 - 622 31 - 2009 479 - 2447 204 - 663 1224 - 1530 275 - 3263 1428 - 2549 816 - 1632 214 - 356

Yeso

150 - 45

1530 - 459

Fuente: Rahm (1986), Walthan (1999), Obert y Duvall (1967), Farmer (1968).

19

Clasificación ingenieril de la roca de acuerdo a ( σ c): Tabla 4: Clasificación ingenieril de la roca de acuerdo al índice (σc) Clase

Descripción

A

Resistencia a la compresión uniaxial (PSI)

(MPa)

(Kg/cm2)

Resistencia muy alta

˃ 32.000

≈220

≈2243

B

Resistencia alta

16.000 - 32.000

≈110 a ≈220

≈1122 a ≈2243

C

Resistencia media

8.000 - 16.000

≈55 a ≈110

≈560 a ≈1122

D

Resistencia baja

4.000 - 8.000

≈28 a ≈55

≈285 a ≈560

E

Resistencia muy baja

˂ 4.000

˂ 28

˂ 285

Tipos de roca Cuarcitas, diabasas. Mayoría de rocas Igneas. Ciertas rocas metamórficas. Areniscas frágilmente cementadas. Lutitas resistentes. Mayoría de las calizas. Ciertas dolomitas. Algunas lutitas. Areniscas y calizas porosas. Esquistos y rocas metamórficas. Rocas porosas de baja densidad. Areniscas deleznables. Tutas y lutitas arcillosas. Rocas meteorizadas y químicamente alteradas de cualquier litología.

Fuente: Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p744 Clasificación de los macizos rocosos para su excavación

Fuente: Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p744. Figura 10: Clasificación de los macizos rocosos para su excavación.

20

Fuente: Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p744. Figura 11: Clasificación de los macizos rocosos para su excavación. 2.2.5.2. Resistencia a la tracción (Ensayo Brasilero) Es el máximo esfuerzo que soporta el material ante la rotura por tracción. Se obtiene aplicando fuerzas traccionales o distensivas a una probeta cilíndrica de roca en el laboratorio.

Donde: P = carga que produce la rotura. d = diámetro de la probeta. L = Longitud de la probeta. 

Muestras con una relación altura/diámetro igual a 0,5.



Tensiones compresivas a lo largo de la muestran producen la rotura del cuerpo de prueba, debido a las tensiones de tracción.



Adaptación de las máquinas para la realización del ensayo de compresión simple. 21

2.2.5.3. Resistencia de la Roca (parámetros C y ) Se utiliza para determinar dichos parámetros el ensayo de compresión triaxial. Este ensayo representa las condiciones de las rocas in situ sometidas a esfuerzos confinantes, mediante la aplicación de presión hidráulica confinante uniforme alrededor de la probeta. Permite determinar la envolvente o línea de resistencia del material rocoso ensayado, a partir de los cuales se obtienen los valores de sus parámetros resistentes cohesión (C) y ángulo de fricción interna (). La cohesión varía entre valores de (3 - 100) MPa ≈ (30.6 – 1010) Kg/cm2. El ángulo de fricción interna varía entre valores de 15º a 55º.

2.2.6. TIPOS DE INESTABILIDAD Desprendimientos o desplomes Desprendimientos o desplomes son movimientos de inestabilidad producidos por falta de apoyo, englobando a una escasa cantidad de terreno. Suele tratarse de rocas que caen por una ladera, debido a la pérdida del apoyo que las sustentaba. Entre los desprendimientos o desplomes, se puede incluir el caso del desplome de una columna rocosa en un acantilado, debido a la erosión en la base del mismo. Pueden ser ocasionados por la naturaleza o por la humanidad. Corrimientos Son movimientos que afectan a una gran cantidad de masa de terreno. Un tipo particular de corrimiento de tierra son los deslizamientos, que se producen cuando una gran masa de terreno o zona inestable, desliza con respecto a una zona estable, a través de una superficie o franja de terreno de pequeño espesor. 2.2.7. ANÁLISIS PARA LA ESTABILIDAD DE TALUDES La estabilidad de taludes es la teoría que estudia la estabilidad o posible inestabilidad de un talud a la hora de realizar un proyecto, o llevar a cabo una obra de construcción de ingeniería civil, siendo un aspecto directamente relacionado con la geotecnia. La

22

inestabilidad de un talud, se puede producir por un desnivel, que tiene lugar por diversas razones: 

Razones geológicas: laderas posiblemente inestables, orografía acusada, estratificación, meteorización, etc.



Variación del nivel freático: Situaciones estacionales, u obras realizadas por el hombre.



Obras de ingeniería: Rellenos o excavaciones tanto de obra civil, como de minería.

Los taludes además serán estables dependiendo de la resistencia del material del que estén compuestos, los empujes a los que son sometidos o las discontinuidades que presenten. Los taludes pueden ser de roca o de tierras. Ambos tienden a estudiarse de forma distinta. 2.3. MÉTODOS DE CÁLCULO 2.3.1. CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE CÁLCULO Los métodos de cálculo para analizar la estabilidad de un talud se pueden clasificar en dos grandes grupos: a. Métodos de cálculo en deformaciones. b. Métodos de equilibrio límite. a. Métodos de cálculo en deformaciones. Consideran en el cálculo las deformaciones del terreno además de las leyes de la estática. Su aplicación práctica es de gran complejidad y el problema debe estudiarse aplicando el método de los elementos finitos u otros métodos numéricos. b. Métodos de equilibrio límite. Se basan exclusivamente en las leyes de la estática para determinar el estado de equilibrio de una masa de terreno potencialmente inestable. No tienen en cuenta las deformaciones del terreno. Suponen que la resistencia al corte se moviliza total y simultáneamente a lo largo de la superficie de corte. Se pueden clasificar a su vez en dos grupos:  Métodos exactos.  Métodos no exactos.

23

b.1. Métodos exactos Las aplicaciones de las leyes de la estática proporcionan una solución exacta del problema con la única salvedad de las simplificaciones propias de todos los métodos de equilibrio límite (ausencia de deformaciones, factor de seguridad constante en toda la superficie de rotura, etc.). Esto sólo es posible en taludes de geometría sencilla, como por ejemplo la rotura planar y la rotura por cuñas. b.2. Métodos no exactos En la mayor parte de los casos la geometría de la superficie de rotura no permite obtener una solución exacta del problema mediante la única aplicación de las leyes de la estática. El problema es hiperestático y ha de hacerse alguna simplificación o hipótesis previa que permita su resolución. Se pueden considerar así los métodos que consideran el equilibrio global de la masa deslizante, hoy en desuso, y los métodos de las dovelas o rebanadas, que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas verticales. Los métodos de las dovelas o rebanas pueden clasificarse en dos grupos:  Métodos aproximados: no cumplen todas las ecuaciones de la estática. Se pueden citar por ejemplo los métodos de Fellenius, Janbu y Bishop simplificado.  Métodos precisos o completos: cumplen todas las ecuaciones de la estática. Los más conocidos son los de Morgenstern-Price, Spercer y Bishop riguroso.

24

2.3.2. MÉTODOS NO EXACTOS: A continuación, se presentan algunos métodos de análisis universalmente conocidos para el cálculo del Factor de Seguridad. Para taludes simples homogéneos se han desarrollado tablas que permiten un cálculo rápido del Factor de Seguridad. Existe una gran cantidad de tablas desarrolladas por diferentes Autores. La primera de ellas fue desarrollada por Taylor en 1937 y 1948, las cuales son aplicables solamente para análisis de esfuerzos totales, debido a que no considera presiones de poro.

Desde entonces varias tablas han sido sucesivamente

presentadas por Bishop y Morgenstern (1960), Hunter y Schuster (1968), Janbú (1968), Morgenstern (1963), Spencer (1967), Terzaghi y Peck (1967) y otros. Tabla 5: Métodos de análisis para estabilidad de taludes. Superficies de falla

Método Ordinario o de Fellenius (Fellenius 1927) Bishop simplificado (Bishop 1955) Janbú Simplificado (Janbú 1968)

Sueco Modificado. U.S. Army Corps of Engineers (1970) Lowe Karafiath (1960)

y

Spencer (1967)

Morgenstern y Price (1965)

Equilibrio

Características Este método no tiene en cuenta las fuerzas entre las dovelas y no satisface equilibrio de fuerzas, tanto para la masa deslizada como para dovelas individuales. Sin embargo, este método es muy utilizado por su procedimiento simple. Muy impreciso para taludes planos con alta presión de poros. Factores de seguridad bajos.

Circulares

De fuerzas

Circulares

De momentos

Cualquier forma de superficie de falla.

De fuerzas

Cualquier forma de la superficie de falla.

De fuerzas

Cualquier forma de la superficie de falla.

De fuerzas

Cualquier forma de la superficie de falla. Cualquier forma de la superficie de falla.

Momentos fuerzas

y

Momentos Fuerzas

y

Asume que todas las fuerzas de cortante entre dovelas son cero. Reduciendo el número de incógnitas. La solución es sobre determinada debido a que no se establecen condiciones de equilibrio para una dovela. Al igual que Bishop asume que no hay fuerza de cortante entre dovelas. La solución es sobredeterminada que no satisface completamente las condiciones de equilibrio de momentos. Sin embargo, Janbú utiliza un factor de corrección Fo para tener en cuenta este posible error. Los factores de seguridad son bajos. Supone que las fuerzas tienen la misma dirección que la superficie del terreno. Los factores de seguridad son generalmente altos. Asume que las fuerzas entre partículas están inclinadas a un ángulo igual al promedio de la superficie del terreno y las bases de las dovelas. Esta simplificación deja una serie de incógnitas y no satisface el equilibrio de momentos. Se considera el más preciso de los métodos de equilibrio de fuerzas. Asume que la inclinación de las fuerzas laterales son las mismas para cada tajada. Rigurosamente satisface el equilibrio estático asumiendo que la fuerza resultante entre tajadas tiene una inclinación constante pero desconocida. Asume que las fuerzas laterales siguen un sistema predeterminado. El método es muy similar al método Spencer con la diferencia que la inclinación de la resultante de las fuerzas entre dovelas se asume que varía de acuerdo a una función arbitraria.

25

Cualquier forma de la superficie de falla.

Momentos fuerzas

Elementos finitos

Cualquier forma de la superficie de falla. Espiral logarítmica

Analiza esfuerzos y deformaciones.

Satisface todas las condiciones de esfuerzo. Se obtienen esfuerzos y deformaciones en los nodos de los elementos, pero no se obtiene un factor de seguridad.

Momentos fuerzas.

Existen diferentes métodos con diversas condiciones de equilibrio.

Espiral logarítmica

y

Asume que las magnitudes de las fuerzas verticales siguen un sistema predeterminado. Utiliza el método de las dovelas para calcular la magnitud de un coeficiente sísmico requerido para producir la falla. Esto permite desarrollar una relación entre el coeficiente sísmico y el factor de seguridad. El factor de seguridad estático corresponde al caso de cero coeficientes sísmicos. Satisface todas las condiciones de equilibrio; sin embargo, la superficie de falla correspondiente es muy diferente a la determinada utilizando otros procedimientos más convencionales.

Sarma (1973)

y

Fuente: Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002. El Factor de Seguridad es empleado por los Ingenieros para conocer cuál es el factor de amenaza de que el talud falle en las peores condiciones de comportamiento para el cual se diseña.

Fellenius (1927) presentó el factor de seguridad como la relación entre la

resistencia al corte real, calculada del material en el talud y los esfuerzos de corte críticos que tratan de producir la falla, a lo largo de una superficie supuesta de posible falla: Tabla 6: Listado de tablas para cálculo de estabilidad de taludes disponibles en la literatura. Autor

Parámetros

Taylor (1948)

cu c, 

Inclinación de talud 0-90o 0-90 o

Método analítico utilizado =0 Circulo de fricción

Observaciones Análisis no drenado. Taludes secos solamente.

Bishop y Morgenstern (1960) Gibsson y Morgenstern (1960)

c, ,ru

11-26.5 o

Bishop

Primero en incluir efectos del agua.

cu

0-90 o

=0

Análisis no drenado con cero resistencia en la superficie y cu aumenta linealmente con la profundidad.

Spencer (1967)

c, ,ru

0-34 o

Spencer

Janbú (1968)

cu c, ,ru

0-90 o

=0 Janbú GPS

Una serie de tablas para diferentes efectos de movimiento de agua y grietas de tensión.

cu

0-90 o

=0

Análisis no drenado con una resistencia inicial en la superficie y cu aumenta linealmente con la profundidad.

c,  c, ,ru

20-90 o o 11-26

Análisis límite Bishop

Hoek y Bray (1977)

c,  c, 

0-90 o 0-90 o

Círculo de fricción Cuña

Cousins (1978)

c, 

0-45 o

Círculo de fricción



26-63 o

Bishop

c, , ru

11-63 o

Bishop

Hunter (1968)

y

Schuster

Chen y Giger (1971) O´Connor y Mitchell (1977)

Charles y Soares (1984) Barnes (1991)

Círculos de pie solamente.

Bishop y Morgenstern (1960) extendido para incluir Nc = 0.1 Incluye agua subterránea y grietas de tensión. Análisis de bloque en tres dimensiones. Extensión del método de Taylor (1948). Envolvente de falla no lineal de Mohr-Coulomb. Extensión de Bishop y Morgenstern (1960) para un rango mayor de ángulos del talud.

Fuente: Gonzáles Vallejos, L. et. al. 2002, p744. 26

A continuación, se presenta un resumen de las tablas desarrolladas por Janbú (1968). Esta serie de tablas tiene en cuenta diferentes condiciones geotécnicas y factores de sobrecarga en la corona del talud, incluye sumergencia y grietas de tensión.

2.3.3. MÉTODOS EXACTOS PARA TALUDES EN ROCA A diferencia de los suelos, la estructura que presentan las rocas es complicada, ya que bajo su apariencia sólida y homogénea se esconden anisotropías originadas por grietas, planos de fractura o estratificación, diaclasas y plegamientos que hacen que su comportamiento mecánico no sea el esperado a primera vista. Los taludes naturales o los excavados en roca están sujetos de forma permanente a procesos de inestabilidad, provocados por la acción de agentes erosivos del agua en sus diversos estados es el principal en el caso de los primeros, a los que se une la propia geometría del talud artificial en el segundo caso. Otro factor que también influye en la estabilidad es la sismicidad natural o provocada por las voladuras realizadas para excavar dicho talud. Este tipo de taludes es característico de las zonas de desmonte, donde muchas veces es necesario morder el relieve para ajustar la traza de la carretera, con la consiguiente ruptura del equilibrio natural existente en sus taludes. (Luis Bañon Bláquez 1963, p.1712). Mecanismos de rotura Los tres principales mecanismos de rotura de un talud rocoso son los que a continuación se citan, y que pueden observarse en la figura de la página siguiente: (a) Rotura plana: Se produce a favor de una única familia de planos de rotura que

buzan en el mismo sentido que el talud, y cuya dirección es sensiblemente paralela a la del frente del talud. Se producen fundamentalmente debido a que el buzamiento de los planos es menor que el del talud -llegando a diferencias de hasta 20o-, con lo que el rozamiento movilizado no es suficiente para asegurar la estabilidad. (b) Cuña: Este tipo de roturas se dan en la Intersección de dos familias de planos de

discontinuidad de diferente orientación, formándose una línea de inmersión a favor del talud, aunque con una inclinación inferior al buzamiento de éste. 27

(c) Vuelco: En este último caso el buzamiento de los planos de fracturación es

contrario al del propio talud, lo que provoca una división del macizo rocoso en bloques independientes que van cayendo por acción de la gravedad. PRINCIPALES MECANISMOS DE ROTURA EN ROCAS

Fuente: (Luis bañon Blaquez 1963) Figura 12: Mecanismos de rotura de un talud rocoso. 2.3.3.1. ANÁLISIS DE ROTURA PLANAR Se llama rotura planar o plana a aquella en la que el deslizamiento se produce a través de una única superficie plana.

28

Es la más sencilla de las formas de rotura posibles y se produce cuando existe una fracturación dominante en la roca y convenientemente orientada respecto al talud. Frecuentemente se trata de fallas que interceptan al talud. También puede producirse en terrenos granulares en los que, entre dos terrenos de buenas características resistentes, se intercala un estrato de poco espesor de material con menos resistencia. Este tipo de rotura no es muy frecuente, ya que deben darse las dos condiciones siguientes: 

Los rumbos o trazas horizontales del plano del talud y del plano de deslizamiento deben ser paralelos o casi paralelos, formando entre sí un ángulo máximo de 20°.



Los límites laterales de la masa deslizante han de producir una resistencia al deslizamiento despreciable.

Superficies laterales

Fuente: (Fernando Herrera Rodríguez, Geotecnia 2000). Figura 13: Mecanismos de rotura de planar. Estas condiciones permiten estudiar la estabilidad del talud como un problema bidimensional que se analiza considerando una rebanada de ancho unidad, limitada por dos planos verticales, perpendiculares al plano del talud.

29

1. Geometría de la rotura planar Si se representa el plano del talud y las discontinuidades en una estereofalsilla equiareal o de Schmidt se puede tener una rotura de tipo planar cuando existe una familia de discontinuidades de rumbo similar al del talud y buzamiento menor que éste. ψt > ψp Donde: ψt = ángulo de buzamiento del talud. ψp= ángulo de buzamiento del plano de rotura.

Fuente: (Fernando Herrera Rodríguez, Geotecnia 2000). Figura 14: Geometría estereográfica de rotura planar de un talud. 2. Análisis de estabilidad en rotura planar En el caso de rotura planar el factor de seguridad FS se obtiene de forma directa como cociente entre las fuerzas que tienden a producir el movimiento y las fuerzas resistentes del terreno que se oponen al mismo, proyectadas todas según la dirección del plano de rotura. Al calcular FS de esta manera, se supone implícitamente constante a lo largo de toda la superficie de rotura, lo cual se acepta a pesar de no ser estrictamente cierto. En el caso más general (ver figura 14), se considera que el plano de deslizamiento se encuentra limitado en su parte superior por una grieta de tracción, que se puede suponer plana, total o parcialmente llena de agua. En el plano de rotura aparecen unas presiones intersticiales que dependen de la situación de la línea de saturación y de las características del terreno. Sobre la masa deslizante puede considerarse la actuación de un terremoto cuyo efecto se asimila a una aceleración vertical

av

y una aceleración

horizontal aH. 30

En este caso el factor de seguridad es:

Donde: c f’

A = = W = ψ U p= 8= V = g=

: Cohesión efectiva en la superficie de deslizamiento. : Ángulo de rozamiento interno efectivo en la superficie de :deslizamiento. Área de la superficie de deslizamiento, supuesta de ancho : Peso de la masa deslizante, supuesta de ancho unidad. unidad. : Ángulo que forma el plano de deslizamiento con la horizontal. : Resultante de las presiones interstiales que actúan sobre el plano :deÁngulo que forma la grieta de tracción con la vertical. deslizamiento : Resultante de las presiones intersticiales que actúan sobre la :grieta Aceleración de la gravedad. de tracción.

= La fórmula es aplicable al caso en el que no exista terremoto, haciendo av = aH = 0, y al caso en que se considere el terreno seco haciendo U = V = 0. Hoek y Bray (1977) han desarrollado unos ábacos que facilitan el cálculo del factor de seguridad frente a rotura planar. A continuación, se describe el planteamiento desarrollado por ellos.

Se parte de las siguientes simplificaciones: 

El talud a estudiar es un plano de inclinación Yt. La superficie que queda por encima del talud es un plano horizontal.



No se considera el efecto sísmico.



La grieta de tracción es vertical.



Se supone una distribución triangular en las presiones intersticiales que actúan sobre la base de la masa deslizante y sobre la grieta de tracción. El valor máximo se da, en ambos casos, en la intersección entre las dos superficies.

31

Fuente: (Fernando Herrera Rodríguez, Geotecnia 2000). Figura 15: Geometría de rotura planar de un talud.

Asumiendo estas simplificaciones se obtiene para la ecuación del FS anterior:

Donde: H = altura del talud. z = profundidad de la grieta de tracción, medida respecto del límite superior del talud. zw = altura de agua en la grieta de tracción. γ = peso específico de la masa deslizante. γw = peso específico del agua. 32

Herrera (1995) elaboró un programa informático para la simplificación y rapidez en los cálculos, dicho programa calcula el factor de seguridad de un talud con posibilidad de rotura de tipo planar aplicando las formulaciones de Hoek y Bray (1977). En dicho programa PLANO se pueden considerar taludes con presiones intersticiales, grietas de tracción, existencia o no de terremoto, anclajes necesarios para conseguir determinados factores de seguridad y con qué ángulos de inclinación deben colocarse para conseguir la mayor seguridad.

2.3.3.2. ANALISIS DE ROTURA EN CUÑA La falla en cuña ocurre cuando la masa de roca se desliza a lo largo de dos discontinuidades que se interceptan en un ángulo oblicuo a la superficie del talud (Figura 16.a). La formación de una falla en cuña depende primordialmente, de la litología y de la masa de roca. El análisis cinemático (Figura 16.b) de una falla en cuña es controlado por la orientación de la línea de intersección de los dos planos. (Suarez, 1998). Según Suarez en 1988, las condiciones estructurales que se deben cumplir son las siguientes: a) La dirección de la línea de intersección debe ser aproximadamente cercana a

la

del buzamiento de la superficie del talud. b) El buzamiento de la línea de intersección debe ser menor que el de la superficie del talud. c) El buzamiento de la línea de intersección debe ser mayor que el ángulo de fricción promedio de las dos superficies.

Fuente: (Fernando Herrera Rodríguez, Geotecnia 2000). Figura 16: Falla en cuña. 33

Fuente: (Fernando Herrera Rodríguez, Geotecnia 2000) Figura 16.a: Esquema general de la falla en cuña.

Fuente: (Fernando Herrera Rodríguez, Geotecnia 2000) Figura 16.b: Análisis cinemático de la falla en cuña (Hoek y Bray, 1981). 34

Una vez se ha realizado el análisis cinemático (Figura 16.b), usando métodos estereográficos, se puede calcular el Factor de Seguridad: a. Caso general

Dónde: Ca y Cb = cohesiones. φa y φb = ángulos de fricción. Ƴr

= Peso unitario de la roca.

Ƴw = Peso unitario del agua. H = Altura total del bloque. X, Y, A y B dependen de la geometría. Ψa y Ψb = Buzamiento de los planos a y b. Ψi

= Buzamiento de la intersección.

Fuente: (Fernando Herrera Rodríguez, Geotecnia 2000) Figura 17: Grafico de un talud con falla cuñar (Hoek y Bray, 1981). 1. Intersección del plano A con el frente del talud. 2. Intersección del plano B con el frente del talud. 3. Intersección del plano A con la superficie superior del talud. 4. Intersección del plano B con la superficie superior del talud. 5. Intersección de los planos A y B.

35

b. Talud drenado

c. Talud no cohesivo C = 0 (solo fricción)

d. Igual ángulo de fricción en los dos planos

2.3.3.3. ANALISIS DE ROTURA VOLTEO (TOPLING) Las fallas al volteo ocurren en masas de roca que están subdivididas en una serie de columnas de gran buzamiento y con rumbo aproximadamente paralelo a la superficie del talud (Figura 18.a). En la falla al volteo la columna de roca rota alrededor de un punto cerca a la base de la misma columna (Figura 18.b). (Suarez, 1998).

Fuente: (Fernando Herrera Rodríguez, Geotecnia 2000) Figura 18.a: Falla por volteo 36

Fuente: (Fernando Herrera Rodríguez, Geotecnia 2000) Figura 18.b: Esquema general de la falla al volteo. Según Suarez en 1988, el análisis cinemático requiere para que ocurra volteo, que se presenten las siguientes condiciones: a. El rumbo de las capas debe ser aproximadamente paralelo a la superficie del talud. En ningún caso la diferencia debe ser superior a 20 grados (Figura 18.c). b. El buzamiento debe cumplir la siguiente condición: Dónde: Ψp = Buzamiento de las capas Ψf = Buzamiento de la superficie del talud ɸp= Angulo de fricción a lo largo de los planos.

Fuente: (Fernando Herrera Rodríguez, Geotecnia 2000) Figura 18.c: Análisis cinemático de la falla al volteo (Norris y Wyllie, 1996) 37

Considerando un bloque de roca que descansa sobre un plano inclinado, tal como es mostrado en la figura 18.d, en este caso, las dimensiones del bloque son definidas por la altura h y la base de longitud b, se asume que la fuerza resistente del movimiento hacia abajo del bloque es debido solamente a la fricción, es decir c=0.

Cuando el vector que representa el peso del bloque cae fuera de la base, el deslizamiento del bloque ocurre si la inclinación del plano Ø es mayor que el ángulo de fricción. Sin embargo, cuando el bloque es alto y delgado (h > b) el vector del peso puede caer fuera de la base b y, cuando esto ocurre, el bloque volcara, es decir, rotara alrededor de su borde de contacto más bajo.

Las condiciones para el deslizamiento y/o volcamiento para este bloque simple es definida en la figura 18.e. Las cuatro regiones de este diagrama son definidas de la siguiente manera: Región 1: a tan a

El bloque es estable, no se deslizará ni volcará.

Región 2: a > ɸ y b/h > tan a

El bloque deslizará, pero no tendrá volcamiento.

Región 3: a < ɸ y b/h < tan a El bloque se volcará, pero no tendrá deslizamiento. Región 4: a > ɸ y b/h > tan a El bloque puede deslizar y volcarse simultáneamente.

Fuente: (Fernando Herrera Rodríguez, Geotecnia 2000) Figura 18.d: Bloque de roca sobre plano inclinado.

38

Fuente: (Fernando Herrera Rodríguez, Geotecnia 2000) Figura 18.e: Condiciones para el deslizamiento y volcamiento de un bloque sobre un plano inclinado

Las roturas por volcamiento se pueden reproducir fácilmente mediante modelos físicos; puesto que este tipo de roturas es básicamente bidimensional, el modelo en dos dimensiones es suficiente. El análisis de equilibrio límite de un volcamiento con base escalonada, consiste en tantear diversos valores de μ (tg ɸ) hasta conseguir una situación de equilibrio, comparar este valor μ (requerido) con el valor real (μ posible). El coeficiente de seguridad vendría definido por:

Naturalmente la situación de equilibrio puede ser sin fuerzas externas, o con la introducción de fuerzas (por ejemplo, de anclajes) en la parte baja del corte. El análisis presentado puede ser aplicado solamente a muy pocos casos de falla por volcamiento y por lo tanto es evidente que no es una herramienta de diseño de taludes en roca de la actualidad. 39

2.3.4. CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS Para abordar el estudio de la estabilidad de taludes en roca es ineludible acudir a los estudios que los profesores Richard Beniawski y Manuel Romana -este último Catedrático de Geotecnia y Cimientos en la Universidad Politécnica de Valencia- han realizado sobre la influencia de los diferentes parámetros geomecánicos en la estabilidad de macizos rocosos. Fruto de estos estudios son los índices RMR (Rock Mass Rating) y SMR (Slope Mass Rating), que tratan de definir respectivamente la calidad de la roca y la de los taludes existentes. 2.3.4.1. Determinación del índice RMR El índice RMR (Bieniawski, 1979) define la calidad de un macizo rocoso valorando cuantitativa y cualitativamente una serie de parámetros: - Resistencia de la roca sana, determinada mediante ensayos de carga puntual y

compresión uniaxial. - RQD (Rock Quality Designation), medido en sondeos o estimado. El RQD mide el

grado de fisuración de una roca, y su expresión matemática es: RQD

= Suma de tramos sin fisuras mayores de 10 cm .100 Longitud total de la columna de roca

- Separación entre dos planos de discontinuidad -juntas, fisuras o diaclasas-

consecutivos. - Estado de las diaclasas, atendiendo especialmente a su abertura, bordes y rugosidad

de la superficie. - Existencia de flujo de agua intersticial a través de las juntas; el agua disminuye la

resistencia mecánica de la roca. Todos estos parámetros están tabulados, correspondiendo a cada rango de valores una puntuación o rating; la suma de todas las puntuaciones obtenidas en cada apartado determinara el índice RMR:

RMR = Rc + RRQD + Rd + Rs + Ru

40

2.3.4.2. Obtención del índice SMR Este nuevo índice (Romana, 1985) introduce una serie de modificaciones en función de las características del talud, de forma que es posible determinar el grado de calidad y fiabilidad que ofrece un talud rocoso. Su valor se calcula partiendo del índice RMR, al que se le resta un factor de ajuste función de la orientación de las juntas- y se le suma otro coeficiente en función del método de excavación aplicado: SMR = RMR - (F1 • F2 • F3) + F4

Debe hacerse una distinción entre valores del SMR y sus correspondientes factores (F.) para rotura plana (P) o rotura con vuelco (T). El parámetro Fi depende del paralelismo entre el rumbo de las juntas y de la cara del talud; varía entre 1.00 (rumbos paralelos) y 0.15 (ángulo interrumbo mayor de 30°, donde la probabilidad de rotura es muy baja). Empíricamente se ajustan a la siguiente expresión, en la que aj y a* los rumbos de junta y talud respectivamente: F1 = (1 - sen(αj – αs))2

Por otro lado, el valor de F2 depende del buzamiento de las juntas (βj) en la rotura plana (P), midiendo de alguna forma la probabilidad de la resistencia al esfuerzo cortante de dichas juntas; oscila entre 1.00 (buzamiento superior a 45°) y 0.15 (buzamiento inferior a 20°). En el caso de rotura con vuelco (T), el valor de F2 es 1.00. Aunque fue determinado empíricamente, existe una expresión matemática que permite su determinación: F2 = tg2 βj

El coeficiente F3 refleja la relación existente entre los buzamientos de los planos de discontinuidad (pj) y del talud (ps): F3 = βj - βS (rotura plana). F3 = βj + βS (rotura con vuelco).

Por último, F4 hace referencia a la influencia del método de excavación utilizado en la estabilidad del talud. Aquellos métodos que originen un mayor residuo o fisuren las capas superficiales del talud favorecerán el desprendimiento de fragmentos y bloques rocosos, precipitándose ladera abajo hacia la zona de explanación. 41

Tabla 7: Factores de ajuste para el cálculo del índice SMR.

F

F1

EVALUACIÓN GLOBAL

VALORES P

|αj - αs|

T

|αj - αs -180°|

|βj|

F2

P

VALOR F2

T

F3

Muy Favorable

Favorable

Normal

Adverso

Muy Adverso

> 30°

30° a 20°

20° a 10°

10° a 5°

< 5°

0.15

0.40

0.70

0.85

1.00

< 20°

20° a 30°

30° a 35°

35° a 45°

> 45°

0.15

0.40

0.70

0.85

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

P

βj - βs

> 10°

10° a 0°

0°

0° a -10°

< -10°

T

βj + βs

< 110°

110° a 120°

> 120°

-

-

0

6

25

50

60

MÉTODO DE EXCAVACIÓN DEL TALUD F4

Talud natural

Precorte

Voladura suave

Voladura o Mecánico

Voladura deficiente

+ 15

+ 10

+8

0

-8

LEYENDA:

P corresponde al caso Rotura plana; T corresponde a Rotura por vuelco.

αj es el rumbo o dirección de las Juntas; αs es la dirección del talud (slope). βj es el buzamiento de las Juntas; βs es el buzamiento del talud.

Fuente: Manuel Romana (1985). Tabla 8: Determinación del índice RMR.

PARÁMETRO 1

2

4 a 10

2a4

1a2

Compresión simple

> 250

100 a 250

50 a 100

25 a 50

5 a 25

1 a 5

2.00

0.60 a 2.00

0.20 a 0.60

20 Muy rugosas

4

Estado de las diaclasas

Discontinuas Sin espacios Bordes sanos y duros

5

Preferible ver compr. Uniaxial

> 10

Resistencia de la roca sana (MPa)

VALORACIÓN (Rrqd)

3

RANGO DE VALORES

Carga puntual

VALORACIÓN (Rs)

30

Agua freática en juntas

Seco

VALORACIÓN (Ru)

15

15 Ligeramente rugosas Aberturas de más de 1mm Bordes duros

25

Algo húmedo

10

10

8

5

Espejos de falla Relleno blando Ligeramente o superior a 5mm o rugosas Relleno5mm Aberturas de más o de 1mm Bordes Separación entre (Diaclasas continuas) blandos 1-5mm (Diaclasas continuas)

20 Húmedo

7

10

0

Goteando

Fluyendo

4

0

Fuente: Z.T. Bieniawski (1979). 42

Tabla 9: Calidad de la roca en función de índice RMR. CLASE

I

II

III

IV

RMR

100 ← 81

80 ← 61

60 ← 41

40 ← 21

Descripción

Muy buena

Buena

Normal

Mala

V


400

300 - 400

200 - 300

100 - 200




45°

35 - 45°

25 - 35°

15 - 25°


15

3-6

2-4

5 - 15