Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Eléctrica GL55B Geología Aplicada

“Análisis cinemático y tratamiento

geotécnico de un talud”

Profesor: Sergio Sepulveda Ramo: GL55B Auxiliar: Alejandra Serey Alumno: Claudio Vergara

2

INDICE

1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 3 2. OBJETIVOS ................................................................................................................... 4 3. METODOLOGÍA ........................................................................................................... 5 4. RESULTADOS .............................................................................................................. 8

4.1 ANALISIS CINEMÁTICO ..................................................................................... 8 4.2 Cálculo de SMR ..................................................................................................... 10

5. DISCUCIONES ............................................................................................................ 15 6. CONCLUSIONES ........................................................................................................ 16 7. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 16

Tablas

Tabla 1: Tipos de Talud según índice SMR. .......................................................................... 15 Figuras

Figura 1. Zona de Trabajo. ...................................................................................................... 3 Figura 2. Sets de discontinuidades definidas. ........................................................................ 5 Figura 3. Geometrías de Falla Plana y Cuña. ......................................................................... 6 Figura 4. Geometría de Volcamiento ..................................................................................... 7 Figura 5. Cuña formada por 2m y 4m ..................................................................................... 9 Figura 6: Cuña Formada por 3m y 4m .................................................................................... 9 Figura 7. Método gráfico para calcular F3 en cuña. ............................................................. 10 Figura 8. Cálculo de F3. ......................................................................................................... 11 Figura 9. Método gráfico para calcular ψ en cuña. ............................................................. 12 Figura 10. Cálculo de ψ. ........................................................................................................ 13

3

1. INTRODUCCIÓN

La caracterización de las discontinuidades existente en un talud es de suma importancia, dado el peligro que esta representa dado un eventual deslizamiento. La idea este trabajo es cuantificar el riesgo que existe de que las discontinuidades presentes en el talud deslicen y caigan sobre el camino adyacente causante algún accidente. Para esto se debe realizar estudios de las familias de sets presentes y de su estabilidad dependiendo del tipo de deslizamiento que podría ocurrir (Falla Plana, Cuña o Volcamiento), para esto se deben seguir procedimientos de análisis de estabilidad, cuantificados por el llamado Factor de Seguridad, para luego poder dar un valor de estabilidad al talud llamado SMR (Slope Mass Rating), el cual nos sugiere los tratamientos que deben realizarse sobre el macizo para asegurar su estabilidad.

1.1 Área de Estudio El área de estudio está ubicada a la entrada del Cajón del río Maipo, en el sector de El Manzano, cercano a la confluencia con el río Colorado. El macizo rocoso a estudiar se encuentra hacia el noroeste del río Colorado, muy cerca del puente Colorado.

Figura 1. Zona de Trabajo.

4

1.2 Marco Geológico El macizo estudiado es parte de la Unidad Intracaldera del Manzano, compuesta por dos subunidades de brechas piroclásticas y tobas de lapilli. Dicha unidad estaría relacionada a un gran evento volcánico de tipo caldera. La Unidad Intracaldera del Manzano se dispone en la Formación Abanico, la cual está constituida por lavas básicas a intermedias, rocas piroclásticas ácidas, e intercalaciones sedimentarias continentales. Esta formación se encuentra plegada y es afectada por un metamorfismo de muy bajo grado (Aguirre, 1960; Thiele, 1980; Levi et al., 1989). El espesor del conjunto se estima en ~ 3.000 m, aún cuando se acepta que éste aparece aumentado por las numerosas intrusiones de filones-manto y lacolitos andesíticos (Thiele, 1980). Se le asigna una edad Eoceno Superior – Mioceno (Wyss et al., 1994; Charrier et al., 1996, 2002a; Gana et al., 1997; Sellés, 1999; Fuentes et al., 2000; Sellés et al., 2000; Fuentes et al., 2002).

2. OBJETIVOS

• Caracterizar las discontinuidades existentes en el macizo rocoso.

• Establecer sets de discontinuidades.

• Plotear los sets en un estereograma equiareal.

• Establecer la estabilidad cinemática de los sets definidos.

• Calcular el F.S. asociado a los sets con riego de deslizamiento.

• Calcular el SMR asociado al talud para sugerir tratamientos.

5

3. METODOLOGÍA

En terreno se caracterizan las discontinuidades mediante su rumbo y su manteo, los datos son ploteados en el programa DIPS de Rocscience para luego definir familias de sets. Además deben incorporarse las líneas de detalle en este caso fue solo una con rumbo N25° E. Antes de definir las familiar se debe realizar la corrección de Terzaghi, la cual depende del rumbo de las transversas.

Figura 2. Sets de discontinuidades definidos.

Puede verse aquí que las manchas representan la concentración de los polos de las discontinuidades (rectas tangentes a los planos), cabe recordar que las rectas sobre un estereograma se dibujan como puntos. Se definen por lo tanto 4 familias de sets, nombradas 1m, 2m, 3m y 4m, sobre le estereograma se dibujan las los planos además y el plano del talud nombrado “2” en la fig. 2. Definidas las familias de sets se procede a analizar los eventuales deslizamientos posibles, para esto se siguen las reglas obtenidas de Rock Slope Engineering de Hoek y Bray.

6

Tenemos entonces que para que ocurra desliz por Falla Plana debe ocurrir que:

• Manteo del talud > Manteo de la discontinuidad > Phi (ángulo de fricción)

• Rumbo del talud no debe ser diferir del rumbo de la discontinuidad en más de 20°. Para que ocurra deslizamiento por cuña se tiene que cumplir que:

• Manteo del talud > manteo de la línea de intersección (Línea generada por la intersección de los dos plano que definen la cuña) > Phi (ángulo de fricción).

Por último para que ocurra deslizamiento por volcamiento se debe cumplir que:

• 90° - δ < α – φ, con δ = Manteo de las discontinuidades, α = Manteo del talud y φ = ángulo de fricción.

Fig 3. Geometrías de falla plana (arriba) y cuña (abajo) con sus respectivas representaciones en el estereograma.

7

Figura 4. Geometría de volcamiento y su respectivo estereograma.

Luego de representar los sets de discontinuidades y realizar los análisis cinemáticos podemos usar los programas Rock Plane y SWEDGE de Rocsience para calcular los factores de seguridad de las fallas planas y las cuñas que fueron analizadas y que se determinaron que tienen un posible riesgo de deslizamiento. Cabe recordar que el factor de seguridad se define como las fuerzas estabilizadoras divididas por las fuerzas desestabilizadoras, por lo que factores menores a 1 son indicadores de un posible deslizamiento y los mayores de estabilidad, sin embargo suelen usar factores de seguridad de 1.2 a 1.3 para generar mayor seguridad en las soluciones ofrecidas para estabilizar los taludes.

8

4. RESULTADOS

4.1 ANALISIS CINEMÁTICO

Se realiza los análisis cinemáticos usando la misma figura 2 pero incorporando el ángulo de fricción el cual se estima de 35°.

Como se observa en la figura 2 no existe ningún plano que cumpla las condiciones de deslizamiento, por lo tanto no se tiene falla plana.

Podemos ver también de la figura dos que se tienen dos posibles deslizamientos por cuñas, representados por la intersección de los sets 2m y 4m, y los sets 3m y 4m. Además podemos ver que existe un punto que cumple las condiciones de deslizamiento por volcamiento, pero para que ocurra esto se tiene que tener una familia de discontinuidades que generen el deslizamiento, para esto se tendría que haber visto una geometría que mostrara esto en terreno y no fue así, ver fig 4. Por lo que no se tomó en cuenta este dato.

Usando el programa swedge podemos encontrar el factor de seguridad asociado a las cuñas. Se deben incorporar los datos de la roca como su peso unitario = 2.38 (Toba de Lapilli), la altura del Talud (10 mts), la disposición del plano del talud (N25°E / 80° SE)

Para la cuña formada por los planos 2m y 4m tendremos un factor de seguridad de

0.864684 y un peso del macizo desplazado de 431.411 [ton], el programa también nos dice la dirección por donde cae, y esta es sobre los planos definidos por 2m, es decir sobre las disposiciones 39/90 en formato DIP/DIPDIR.

9

Figura 5. Cuña formada por 2m y 4m.

Para la cuña formada por los planos 3m y 4m tendremos un factor de seguridad de

1,07381 y un peso del macizo desplazado de 283,195 [ton], la dirección de deslizamiento es N38,9548° E y su manteo es 49,0417°.

Figura 6: Cuña formada por 3m y 4m

10

4.2 Cálculo de SMR

Dado que solo tenemos falla por cuña usaremos las definiciones propuestas para obtener el SMR de este tipo de fallas descritas por Tomás, Delgado y Cuencas. Se define el SMR como:

SMR = RMR + (F1 * F2 * F3) + F4

Y ψ = F1*F2

Para encontrar ψ y F3 se puede realizar un procedimiento gráfico el cual se explica a continuación: La Figura 7 corresponde al gráfico de obtención de F3 para fenómenos de rotura en cuña. Para definir los sectores de puntuación debemos trazar con centro en O una circunferencia de radio OQ, donde Q es la proyección del polo de la recta de máxima pendiente (l.m.p.) del talud S. Posteriormente trazamos dos nuevas circunferencias, a ambos lados de la ya trazada, equidistantes 10º valiéndonos nuevamente de la graduación del eje. La distribución de puntuaciones decrece hacia fuera del diagrama, variando también entre 0 y -60.

Fig 7 . Método gráfico para calcular F3 en cuña.

11

Representamos este grafico en DIPS e incorporamos nuestros datos y tenemos:

Fig. 8. Cálculo de F3.

Por lo que para ambas cuñas tenemos un factor F3 = -60

12

Para calcular el parámetro ψ se hace coincidir el sentido del buzamiento real del talud con la dirección indicada en el gráfico. La posición del polo nos indicará tanto el tipo de rotura compatible con el sistema como el valor o puntuación correspondiente al parámetro ψ.

Fig.9. Método gráfico para calcular ψ

13

Representando este gráfico en DIPS e incorporando nuestros datos tenemos:

Fig. 10. Cálculo de ψ.

Del gráfico para calcular el parámetro ψ representado en DIPS tenemos que para

la cuña formada por 3m y 4m es 0,16 y para la cuña formada por 2m y 4m es de 0,11.

14

Ahora si asumimos que nuestro talud es un “talud natural” tenemos que el factor

F4 = +15.

Y de nuestro trabajo anterior tenemos que el RMR del macizo rocoso es 72.

Con todos estos resultados podemos cuantificar la seguridad de nuestro talud para poder sugerir un tratamiento, por lo tanto tenemos:

• SMR (cuña 2m/4m) = 72 + (0,11*-60) + 15 = 80,4 • SMR (cuña 3m/4m) = 72 + (0,15*-60) +15 = 78

15

5. DISCUCIONES

Teniendo los valores de SMR podemos sugerir los tratamientos para asegurar la estabilidad del talud. Esto lo podemos ver de la Tabla 1.

Tabla 1. Tipos de Clases de talud según el índice SMR.

Y con estos podemos recurrir a los tratamientos.

1. SMR > 10 : re excavación (Muros de contención)

2. 40 > SMR > 10 : drenaje (superficial; profundo)

3. 60 > SMR > 20 : hormigón (shotcrete, contrafuertes y/o vigas, muros de pie)

4. 75 > SMR > 30 : refuerzos (pernos de anclaje, bulones)

5. 70 > SMR > 45 : protección (Zanjas de pie, mallas)

6. SMR > 65 : Sin sostenimiento (desquinche) Dado que nuestro talud tiene un SMR bastante alto, el tratamiento sugerido por Gonzales de Vallejo, 2002 es dejar el talud sin sostenimiento.

16

6. CONCLUSIONES

• Independiente de los análisis cinemáticos realizados, al final del estudio se concluyó que el talud debe dejarse sin sostenimiento. Esto es debido a que el análisis cinemático no incorpora en sí, el análisis de roca y discontinuidades realizados para el cálculo del índice RMR, el cual para esta roca es bastante alto.

• Dado que el menor SMR obtenido fue de 78, de la tabla de Romana, 1985, podemos concluir que el talud tiene una descripción general muy buena y es totalmente estable, además de no presentar roturas.

• Dado los SMR obtenidos, según los tratamientos sugeridos por Gonzales de Vallejo, 2002, no es necesario agregarle al talud algún tipo de sostenimiento.

7. BIBLIOGRAFÍA

• Apuntes Curso Geología Aplicada Semestre Otoño 2009 Profesor: Sergio Sepulveda

• Rock Slope Engineering Hoek y Bray

• Ingeniería Geológica Gonzales de Vallejo 1002

• Procedimiento gráfico para la obtención de los parámetros SMR a través de la proyección estereográfica Tomás, Delgado, Cuenca