fallas en tuneles

DISEÑO Y ESTABILIDAD DE TALUDES

Universidad Privada del NorteFacultad de Ingeniería y ArquitecturaIngeniería de Mina

Docente:• Arturo Lino Z.Alumnos:• Jet Benel Cerna.• Alex Marinovic Pulido.• Wilmer Huamán Melendez. • Santillan Llovera, Lennin

D I S E Ñ O Y E S T A B I L I D A D D E T A L U D E S

La falla al volteo es un mecanismo de falla muy común en macizos de roca y se caracteriza por la inclinación de estructuras semi-verticalizadas como resultado de la acción de la gravedad.

Principios básicos de falla de volteo


Josef Stini fue uno de los pioneros de la mecánica de rocas en Europa y él acentuó la importancia de las discontinuidades estructurales controlando el comportamiento de las masas de roca .

Importancia de las discontinuidades


El análisis completo de estabilidad de un talud de roca depende en un estudio detallado de las orientaciones y características de las discontinuidades dentro de la masa de roca.

Los tipos de discontinuidades de roca normalmente encontrados incluyen las fracturas, junturas, fallas, zonas de corte, planos de estratificación, y foliaciones. Cada discontinuidad tiene características tal como longitud, orientación, el espaciamiento, rugosidad de la superficie, propiedades físicas de la roca adyacente, material de relleno y condiciones de agua que se relacionan directamente a la probabilidad de falla a lo largo de esa discontinuidad


Tipos de rotura considerados

Volteo por flexión

Dondequiera que se pueda ver una superficie expuesta a lo largo de una falla, de un plano de estratificación, de una diaclasa o de cualquier otra discontinuidad como en (a)


Volteo por flexión de bloques

De la misma forma, las discontinuidades escalonadas como en (b), sugieren que las columnas que sobreyacían, pudieron fallar por volteo en el pasado, posiblemente durante la etapa de construcción, por lo tanto, se identifica una tendencia al volteo si las condiciones geométricas se llegan a repetir.


Volteo de bloques

Es posible identificar varios tipos de grietas de tensión en taludes. El movimiento de un bloque a lo largo de una superficie de corte nueva o pre-existente, como en la Figura, puede abrir una o más grietas lineales o arqueadas como en (c).


Modos de falla por volteo secundario


En el deslizamiento por volteo en la base, ilustrado en Figura, la transmisión de esfuerzos horizontales de cortante a lo largo de la base de un deslizamiento incipiente, causa el volteo de los estratos con buzamiento fuerte, que forman el cimiento al pie del deslizamiento, lo cual desencadena la destrucción de los cantiles sobreyacentes.

La falla al volteo es un mecanismo de falla muy común en macizos de

roca y se caracteriza por la inclinación de estructuras semi-

verticalizadas como resultado de la acción de la gravedad.

En masas de roca cristalina, la inclinación o volteo puede ocurrir solamente si hay una estructura (esquistosidad o foliación) con

buzamiento de alta pendiente y con un rumbo o dirección más o menos paralelo a la dirección general del

talud

2.3 Principios básicos de falla de volteo.

a) Inclinación a flexión

Este tipo de falla es común en rocas foliadas o con capas delgadas tales

como las lutitas, las pizarras o los esquistos.

Cada capa trata de inclinarse bajo su propio

peso y transfiere una fuerza hacia la capa

siguiente.

2.3.1. TIPOS DE VOLTEO

b) Inclinación de bloques

La inclinación de bloques es común en masas rocosas, las cuales forman bloques columnares o

tabulares con un espaciamiento relativamente ancho de

discontinuidades.

La dirección del plano basal debe estar dentro de aproximadamente

20° de la pendiente del talud.


c) Volteo hacia atrás

El volteo hacia atrás ocurre en bloques de gran tamaño y relativamente esbeltos,

con juntas semiparalelas a la superficie del terreno. El efecto es un resbalamiento

y giro hacia atrás de los bloques sobre las discontinuidades


d) Volteo múltiple

La presencia de grupos de discontinuidades puede producir una superficie de falla por volteo formando una serie de caídos o flujos en escalera.

El fenómeno puede incluir fallas de tensión y corte a lo largo de las discontinuidades y a través de la roca intacta, formando zonas de corte que no son propiamente planos de falla, pero que para el análisis se pueden asimilar a las de una superficie semicontinua.


La Litología y Estructura

Las fallas en macizos rocosos están controladas por la interacción combinada de la estructura y la litología del macizo. Las interrelaciones entre las fracturas y las características geotécnicas son generalmente muy complejas y en ocasiones es difícil predecir el comportamiento

2.3.3. FACTORES QUE AFECTAN LA FALLA

Condiciones para Deslizamiento y Volteo

Las grietas en los macizos rocosos son el resultado de deformaciones a gran escala en las cuales ocurre relajación de energía y se producen separaciones de grandes bloques de roca. Se requiere caracterizar la grieta o el sistema de grietas para poder predecir su comportamiento futuro.

El análisis debe realizarse en tres dimensiones y si es necesario se deben instrumentar para poder presentar una hipótesis geodinámica, incluyendo su comportamiento bajo eventos sísmicos.


Efecto de las Presiones Hidráulicas

Las presiones hidráulicas son de un orden comparable de magnitud con los esfuerzos de gravedad y generan

fuerzas importantes sobre las superficies de las discontinuidades

dentro de la masa rocosa.

Adicionalmente, estas fuerzas hidráulicas producen reducciones en

los esfuerzos efectivos, los cuales disminuyen la resistencia al cortante

al reducirse la fricción en la discontinuidad.


Efecto de la Tectónica

Las condiciones de estabilidad de los taludes en roca dependen

principalmente de la estructura del macizo, la orientación y frecuencia

de las discontinuidades, tanto de las juntas propiamente dichas como de

las intersecciones entre juntas.

Algunos autores mencionan el efecto de la tectónica sobre la ocurrencia de

deslizamientos


Resistencia de las DiscontinuidadesLa mayoría de los modos de falla en taludes en roca incluyen deslizamiento y/o inclinación. En ambos casos la resistencia al cortante de las discontinuidades es crítica para el diseño de los taludes en roca.

En macizos de roca relativamente fracturada o muy fracturada, los cuales corresponden a la mayoría de deslizamientos de taludes en roca; el ángulo de fricción entre las paredes de la discontinuidad es el parámetro más importante para tener en cuenta en el diseño.


Á n g u l o s d e f r i c c i ó n t í p i c o s p a r a l a s d i s c o n t i n u i d a d e s d e m a c i z o s r o c o s o s

Ángu los de f r i c c ión de d i scont inu ida des t í p i cos

Los bloques de roca que se sueltan de la fachada de un talud y caen por caída libre, a golpes o rodando son una amenaza muy importante, especialmente en vías de comunicación.

Generalmente, los caídos se inician por un cambio en las fuerzas que actúan sobre un bloque o una masa de roca, estos cambios de fuerzas están asociados con fenómenos climáticos, eventos biológicos o actividades de construcción.

Los tipos de eventos que producen caídas son los siguientes:

Incremento de la presión de poros en las juntas debido a la lluvia

Cambios de temperatura

Descomposición química de la roca en los climas tropicales húmedos

Crecimiento de las raíces dentro de las juntas

Movimiento del viento

Vibraciones debidas a actividades de construcción o voladuras

Sismos

2.3.4. INESTABILIDAD DE TALUDES

Los factores más importantes que controlan la trayectoria de caído de un

bloque de roca son la geometría del talud y el tipo de superficie de este talud. Algunos taludes actúan como salto de esquí y generan velocidades horizontales muy significativas en el

bloque de roca, aumentando en forma importante la amenaza sobre la vía.

Las superficies de fachada de talud muy limpias son peligrosas, debido a

que tienen un alto coeficiente de restitución y por lo tanto, no retardan

el movimiento del bloque que cae.

FACTORES QUE AFECTAN LA DINÁMICA DEL CAÍDO

Geometría del talud. De los factores geométricos la

pendiente del talud se considera crítica porque define la

aceleración y desaceleración de los bloques de roca.

La longitud del talud determina la distancia sobre la cual la roca

acelera y desacelera. Otro factor importante es la interacción entre las irregularidades de la superficie del terreno con el bloque de roca. Estas irregularidades afectan la

variabilidad de los eventos.

Tamaño de los bloques.

Como los bloques más grandes de roca tienen mayor

momentum, es menos probable que se afecten por las

irregularidades del terreno. Por la razón anterior, los bloques de mayor tamaño se desplazan en

mayores longitudes que los bloques pequeños.


Forma de los bloques.

Otro factor importante es la forma de los bloques de roca. La forma de la roca afecta la

distribución de los bloques en forma similar que la

rugosidad de la superficie del talud. Igualmente la forma de la roca también influye sobre la parte de energía que es de

traslación y la que es de rotación.

Fragilidad de la roca.

Una propiedad crítica de la roca es su fragilidad, la cual

determina si el bloque se va a romper en el impacto. La

fragmentación de la roca disipa una gran cantidad de energía y disminuye el tamaño individual de los bloques. El tamaño de la roca tiene una relación directa

con la energía cinética y el momentum.


2.4.1. Refuerzo mediante uso de pernos

Los pernos son barras de refuerzo que se cementan dentro de perforaciones formando una dovela de concreto

reforzada para prevenir que se suelte un bloque de roca en la cresta de un talud

El objetivo de los pernos es el de generar un refuerzo o resistencia a la tensión

dentro del macizo, uniendo las discontinuidades. Los pernos también

pueden utilizarse para sostener cables, mallas y otros elementos de soporte del

macizo.

2.4. PROCEDIMIENTOS DE REMEDIACIÓN Y ESTABILIZACIÓN

2.4.2. Refuerzo mediante anclajes tensionados

Este método consiste en la colocación dentro del macizo de roca y muy por debajo de la superficie de falla real o potencial de una serie de tirantes de acero anclados.

Los anclajes generan fuerzas de compresión que aumentan la fricción y/o contrarrestan la acción de las fuerzas desestabilizadoras. En superficie las anclas se apoyan en platinas de acero o en bloques o zapatas de concreto armado, para permitir su anclaje y transmitir la carga al suelo subsuperficial.


Refuerzo mediante uso de mallas ancladas

Son mallas exteriores de alambre galvanizado ancladas

con pernos para evitar la ocurrencia de desprendimientos de bloques de roca o material.

Las mallas deben usarse solamente en los casos en que ésta queda en contacto directo con la superficie del talud para formar un contacto continuo en

toda el área protegida de la fachada del talud.


2.4.4. Concreto Lanzado

Para minimizar el desprendimiento de bloques y el deterioro de la superficie del macizo puede utilizarse el concreto lanzado. Se denomina concreto proyectado al mortero colocado por bombeo a presión con agregados hasta de 20 mm de diámetro.

El concreto generalmente, se aplica en capas de 8 a 10 centímetros de espesor. Este concreto ayuda a sostener los bloques del macizo en su puesto, actuando como una membrana soportada por la resistencia a la tensión y al cortante del mortero.


2.6.1. El Drenaje Superficial

El drenaje adecuado de la superficie del talud disminuye la

infiltración del agua de escorrentía y permite controlar

los procesos de erosión.

Drenar las depresiones donde se acumula agua, arriba de la cabeza

del talud.

Reconformar la superficie del talud y del área arriba de la

cabeza para facilitar el flujo de la escorrentía

2.6. EFECTO DE DRENAJE Y SUB DRENAJE EN LA ESTABILIZACIÓN DE TALUDES

2.6.2. Perforaciones de Subdrenaje

El objetivo ideal de los subdrenes es bajar el nivel freático y disminuir las presiones de poros sobre las superficies potenciales de falla. En macizos rocosos el sistema más utilizado de drenaje es el de perforaciones o subdrenes de penetración. Los subdrenes se diseñan a profundidades por detrás de las superficies potenciales de falla. La dirección de las perforaciones depende esencialmente de la localización de las discontinuidades principales. El dren óptimo es el que intercepta la mayor cantidad de discontinuidades por metro longitudinal de sub-dren

2.6. EFECTO DE DRENAJE Y SUB DRENAJE EN LA ESTABILIZACIÓN DE TALUDES

2.7.1. Bermas

Los caídos tienden a saltar en las bermas y alcanzar distancias horizontales mayores de caída; sin embargo, el diseño de bermas anchas puede ser muy útil para ciertos casos de caída, especialmente de residuos de roca. En rocas sedimentarias con estratificación subhorizontal, las bermas intermedias pueden ser efectivas si se localizan coincidiendo con los cambios de litología.

2.7. RETENCIÓN Y CONTROL DE FALLAS

2.7.2. Trincheras

Una trinchera o excavación en el pie del talud puede impedir que la roca afecte la calzada de una vía y representa una solución muy efectiva cuando existe espacio adecuado para su construcción. Se requiere diseñar el ancho, profundidad, pendiente y capacidad de almacenamiento de la trinchera. El ancho y profundidad de las trincheras está relacionado con la altura y la pendiente del talud


2.7.3. Barreras y Muros

Existe una gran variedad de barreras de protección y sus características y dimensiones dependen de la energía y dinámica de los caídos. Las barreras pueden ser de roca, suelo, tierra armada, muros de concreto, pilotes, gaviones, bloques de concreto o mallas y cables



PRINCIPIOS BASICOS DEL DISEÑO DE TALUDES


La roca difiere de la mayoría de materiales utilizados en obras de ingeniería porque contienen fracturas de un tipo u otro que tipifican a la roca como esencialmente discontinua. En tal sentido debe diferenciarse entre el término de roca intacta y macizo rocoso.

Para evaluar la estabilidad de los taludes se debe considerar sistemas de clasificación geomecánica de los macizos rocosos. Existen sistemas de clasificación como el sistema Q (Barton, 1974) y el sistema RMR (Bieniawski, 1976) que han tenido una amplia aceptación en las aplicaciones de mecánica de rocas.

Análisis estructural de la zona a estudiar.


Es el sistema de valoración del macizo rocoso que fue propuesta en 1973 y modificada en 1976, considera seis parámetros importantes.

1. Resistencia de la roca intacta

2. R.Q.D.

3. Espaciamiento de diaclasas o discontinuidades.

4. Condición de las diaclasas o discontinuidades (rugosidad, diaclasa, relleno).

5. Las condiciones del agua subterránea, dado por las infiltraciones (seepages).

6. Orientación de las discontinuidades.

Clasificación de Bienamski:


Entre las principales informaciones lito-estructurales que necesitamos son las siguientes:

1. Planos de estratificación.

2. Plegamientos.

3. Fallas.

4. Zonas de corte.

5. Diques.

6. Diaclasas.

Información Lito-estructural


La posición especial del tipo rocoso relativamente determina una geometría del talud u otra información importante para el estudio de estabilidad, de modo que es esencial proceder a los levantamientos geológicos detallados cuando estos ocurren.

Caracterización del macizo rocoso


Análisis de rocas:

Se obtendrán de los resultados obtenidos en el campo y laboratorio.

Propiedades Físicas:- Orientación.- Espaciamiento.- Rugosidad. Propiedades Mecánicas:- Persistencia.- Apertura.- Relleno.


Aspectos Hidrogeológicos.

Es sabido que el efecto del agua constituye una principal razón de deslizamientos de taludes y se puede resumir en cuatro partes:

1. A través de presencia hidrostática que el agua ejerce en las paredes de las discontinuidades..

2. Actuando sobre la presencia de los poros de las diaclasas y de sus materiales de desprendimiento, por mecanismos físicos y químicos.

3. Disminuyendo la resistencia irregular de cizallamiento de rocas y provocando una reducción en su resistencia a la compresión.

4. Provocando alteraciones en las rocas, que por una vez pueden ocasionar elevadas presiones las cuales adicionadas a resistencias biaxiales de los minerales de alteración, contribuyen para su inestabilidad del macizo rocoso.


Aspecto de Sismicidad. - Al ocurrir un sismo intenso, los taludes y

laderas que naturalmente han tenido factores de seguridad estáticos relativamente bajos se deslizan.

- El deslizamiento de taludes y laderas puede tener implicaciones que se extienden desde abundantes problemas locales muy menores, hasta otros lo suficientemente graves como para que repercutan sobre la economía de un país.

Modelo de gestión de taludes

ESQUEMA TEÓRICO DE ESTABILIDAD DE TALUDES

EJEMPLO:

N

Estructura RumboBuzamiento

Talud 325 80°NEBloque 1 320 77° SWBloque 2 319 75° SWBloque 3 320 78° SWBloque 4 317 78° SW

1

2

3

4

Características del macizo rocoso son las siguientes:• Tipo de roca: Caliza• Resistencia a la comprensión uniaxial:

100 MPa• Condición de agua subterránea: flujo

de 0.2 l/m en 10 metros


Talud 325 80° NEBloque 1 320 77° SWBloque 2 319 75° SWBloque 3 320 78° SWBloque 4 317 78° SW



Concentración de polos

Dirección de talud



Concentración de polosDirección de talud

ZONA CRITICA (-20° +20°)

Clasificación de RMR según Bieniawski

Sistema de valoración del macizo Rocoso – RMR (según Bieniawski, 1989)

1. Resistencia del material intacto valor máximoSegún dato: la resistencia de carga puntual es 100 Mpa, según sistema de valoración del macizo Rocoso – RMR (según Bieniawski, 1989), la valoración (a) de roca intacta= 7

2. R.Q.D. valor máximoJv, número de discontinuidades por unidad de longitud de todas las familias de discontinuidades, para el ejemplo asumiré 12 fracturas por metro, aplicando la fórmula de RQD, tenemos:RQD= 115-3.3*JvRQD=115-3.3*12RQD= 115-39.6RQD= 75.4Para un porcentaje de 75.4, y de manera conservadora, se considera una valoración RMR igual a 13.

RQDJv

Fracturas/metro

RQD %Valuación RMR

De A De A5 8 90 100 208 12 75 90 17

12 20 50 75 1320 27 25 50 827 > 27 0 25 3

3. Distancia entre las discontinuidades valor máximo

Se considera un espaciamiento entre discontinuidades de 0.50, por lo tanto la valoración es de 10

4. Condición de las discontinuidades valor máximo

Aperturas mayores a 5mm, valoración 0

5. Agua subterránea valor máximo

Considerando un flujo de 0.2 l/m en 10 metros, valoración 07.

a. Resistencia del material intacto valor máximo 7

b. R.Q.D. valor máximo 13c. Distancia entre las discontinuidades valor máximo 10d. Condición de las discontinuidades valor máximo 0

e. Agua subterránea valor máximo 7Valor RMR 37

Finalmente el RMR es 37, que de acuerdo a la tabla, es una roca MALA clase IV que requeriría sostenimiento, pues no se autosostiene.

tan

tandisponible

requerido

FS

FACTOR DE SEGURIDAD

Para calcular el factor de seguridad se calcula el Angulo de fricción requerido para que el bloque sea estable

Agua. La presión de poros disminuye la resistencia a la fricción.

• Para la identificación de potenciales fallas, es clave el conocimiento de proyecciones estereográficas, como profesionales en el rubro minero es importante conocer los criterios de mapeos geotécnicos, software de dibujo de proyecciones y sobre todo la interpretación de éstos, luego de identificar las potenciales fallas, brindar soluciones basados en criterios ingenieriles que puedan controlar y/o minimizar los efectos por posibles caídos o deslizamientos.

• Las alternativas de control a implantar-ante posibles fallas- deberán estar orientadas a reducir el riesgo de posibles caídos ó deslizamientos, el tipo de solución a implantar esta en función de los recursos económicos que se cuenten, é ahí el gran reto del ingeniero, dar soluciones eficientes dentro de presupuestos muchas veces menores a los necesarios.

Conclusiones

Es importante estudiar y analizar todos los factores necesarios para interpretar con exactitud el comportamiento geotécnico de la zona a evaluar; ya que de estos resultados se hace el análisis para el diseño del talud ideal y en otros casos el sistema de sostenimiento que se ajuste a lo requerido. Estas variables permiten determinar el número de fracturas tensionales y los deslizamientos.

Recomendaciones

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