CAPITULO III3.- METODOS DE ANÁLISIS Y TIPOS DE FALLA DE TALUDES EN ROCAS

3.1.- INTRODUCCIÓN.-

Los análisis de estabilidad de taludes permiten definir la geometría de la excavación y de las fuerzas externas que deben aplicarse para lograr el factor de seguridad requerido.

El análisis de estabilidad de taludes se basa en un planteamiento físico matemático, donde intervienen las fuerzas que tienden a desestabilizar vs fuerzas resistentes, cuyas ecuaciones son comparadas mediante el uso de un factor de seguridad adecuado. De otra manera, el análisis de estabilidad consiste en proponer un mecanismo de falla del talud y aplicar a tal mecanismo los criterios de máxima resistencia desarrollada en la superficie de rotura. Si los análisis de estabilidad resulta la existencia de taludes inestables, se aplicarán las medidas correctivas o de estabilización necesarias para evitar futuras fallas.

Los análisis de estabilidad de taludes permiten definir la geometría de la excavación y las fuerzas externas que deben de aplicarse para lograr el factor de seguridad requerido. En resumen están orientados a analizar:

Factor de Seguridad ( Métodos determinísticos) Probabilidad de falla (métodos probabilísticas) ) Modelos de soporte (activos o pasivos, drenajes, etc) Análisis de fuerzas externas (sismos, voladuras, etc)

3.2.- CONTROL MEDIANTE INSTRUMENTACIÒN: ANALISIS RESTROSPECTIVO “BACK ANALYSIS”.-

Una de las posibilidades más ventajosas que existen para conocer el grado de fiabilidad en el diseño, reside en el control instrumental del talud, para deducir a partir de él los parámetros más influyentes, como los movimientos de los terrenos, presiones intersticiales (piezómetros), etc. Todos, ellos permiten efectuar análisis retrospectivo. Es decir permite ajustar las hipótesis de los parámetros utilizados, de manera que los cálculos reproduzcan la realidad. La auscultación debería ser imprescindible en toda la obra. Sin embargo, el “back análisis”, siempre muestra la máxima información cuando se produce una falla, actuando de esa manera con las medidas correctivas e idóneas.

En otras palabras, es una metodología de análisis que se realiza una vez que se haya producida la rotura del talud, por lo tanto se conoce el mecanismo, modelo y geometría de rotura del talud. A partir de los datos de campo: geometría del talud, litología, modelo de rotura, condiciones de agua, esfuerzos; se determina los parámetros de resistencia del terreno (Cohesión y fricción), que cumplen la condición de equilibrio del talud con factor de seguridad, Fs = 1, de manera que, los resultados obtenidos, se pueden extrapolar para otros taludes de condiciones similares.

3.3.- MÉTODOS DE ANÁLISIS

La elección de un método más adecuado de análisis de taludes, para la identificación de taludes inestables dependerá de:

Características geológicas y geomecánicas de los materiales (suelos y macizos rocosos)

Las características geométricas del talud Características hidrológicas Tipo y objetivos del diseño, grado de detalle del proyecto Los datos de campo y de laboratorio deberán obtenerse en función del método

de análisis. (ver gráfico)

A.- METODOS PROBABILISTICO.-

Tiene en cuenta la probabilidad de rotura de un talud bajo ciertas condiciones determinadas. Es necesario el conocimiento las funciones de distribución de las variables aleatorias, para calcular el factor de seguridad en forma reiterativa, para obtener las funciones de densidad y de distribución de probabilidad del factor de seguridad, curvas probabilísticas, etc. Dada la dificultad de obtener estos datos, este método es poco usado.

B.- METODOS DETERMINÍSTICOS

Una vez conocida o supuestas las condiciones de estabilidad de un talud, se seleccionan los parámetros y variables físicas y resistentes que controlan el comportamiento del material rocoso, luego se define su grado de estabilidad o factor de seguridad. Estos métodos constituyen los más prácticos y baratos, proveen una representación adecuada de la masa rocosa.

C.- METODO DE MODELOS FÍSICOS A ESCALA.-

Consiste en construir modelos basándose en bloques de un talud, para luego simular una excavación o talud, hasta que falla.

D.- METODOS DE CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA (SMR).-

De manera similar a la utilización de la clasificación geomecánica de la masa rocosa para ser utilizados en diseños de estructuras subterráneas, se puede utilizar estas clasificaciones para determinar la estabilidad de taludes en rocas.

La metodología ha determinado el análisis para rotura plana, y consiste en calcular primero el RMR de Bieniawski para la masa rocosa, luego se realiza las correcciones para el uso en taludes, haciendo ajustes del conjunto de orientaciones para cada una de las familias de discontinuidades Inter. Actuando con la orientación de la superficie o cara del talud.

Cada uno de estos factores de ajuste se incrementa al valor original del RMR, obteniéndose el SRM para cada uno del set de discontinuidades, adoptando luego el valor mínimo del SRM del conjunto, el cual es comparado con la clasificación final de 5 categorías de estabilidad del talud para su posterior tratamiento.

A.1.- METODO DE ESFUERZO Y DEFORMACIONES.-

En muchas ocasiones, la rotura de un talud no necesariamente se produce a través de una superficie de discontinuidad rocosa definida, o a través de una superficie

2

circular cuando se tratan de materiales incompetentes (suelos). La rotura se produce en las zonas de altas concentraciones de esfuerzo que luego son transferidas a otros puntos del talud el cual fallará a su turno, desarrollándose roturas progresivas, de manera que causan deformaciones considerables, hasta culminar con la rotura total de lasa rocosa (flujo o caída de rocas en taludes).

Además este método es recomendable para taludes construidos sobre suelos, masas rocosas muy fracturadas, blandos o poco competentes, homogéneos y continuos. También es recomendable para macizos rocosos masivos, donde la estabilidad no está controlada por discontinuidades, o donde los taludes están sometidos a altos esfuerzos, taludes profundos, con comportamiento plástico o deformaciones importantes.

Constituye una alternativa a los métodos de equilibrio límite, siempre que se justifique su aplicación y sea apropiada para el análisis. Su ventaja radica en que se considera las relaciones esfuerzo deformación que sufre la roca durante la rotura, en función de sus propiedades geomecánicas.

El método de análisis consiste en dividir la masa rocosa en una serie de elementos estructurales o celdas, que representan cada uno, estados de esfuerzos y deformaciones, puntos que van generando diferentes estados de esfuerzo en cada celda o del talud, que en su conjunto permitirán modelar el estado de esfuerzos en todo el cuerpo del talud.

En el método de esfuerzos deformaciones, puede examinarse la distribución de esfuerzos y el proceso de deformación en cada uno del punto seleccionado de probable falla cuando estos esfuerzos exceden la resistencia de la roca, permitiendo así evaluar la influencia de los diferentes parámetros de estabilidad del talud.

La solución de las ecuaciones se realizan mediante métodos numérico (elementos finito y otros). Las ecuaciones pueden ser de elasticidad o de plasticidad que aportan valores de esfuerzos, deformaciones y desplazamientos. 1

Por otro lado, a diferencia del método de equilibrio límite, este método considera únicamente las fuerzas actuantes sobre uno varios puntos de la superficie de rotura y supone la falla en forma instantánea y que la resistencia permanece a todo lo largo de la superficie de rotura.

A.2.- METODO DE EQUILIBRIO LÍMITE.-

Son los métodos más utilizados, analizan el equilibrio de un taludPotencialmente inestable, comparando las fuerzas que provoquen su deslizamiento con las fuerzas que tienden a resistir este deslizamiento a lo largo de una superficie determinada de falla. Con estas condiciones se establecen las respectivas ecuaciones de equilibrio entre ambas fuerzas comparando mediante un factor de seguridad.

Una vez evaluada el coeficiente de seguridad, se repiten el análisis para otras discontinuidades o superficies cinemáticamente potenciales a la rotura, hasta obtener el factor de seguridad mínimo, tomándose este valor como el correspondiente al talud.

La solución del problema por este método es en realidad estáticamente indeterminada, se consideran algunas asunciones e hipótesis para su análisis, como:

Selección de una superficie teórica de rotura, supuestamente de inestabilidad potencial o en cada una de las familias de discontinuidades.

Se utilizan datos conocidos como: densidad del material, contenido de agua, etc. Se asume un criterio de rotura como la Mohr Coulomb Se conoce los parámetros de resistencia al corte: Cohesión (c), y el ángulo de

fricción ().

1 Dermot M. Ross Brown pag. 165

3

Definición de un factor de seguridad para cada familia de discontinuidades. 2

Métodos analíticos.- Proporcionan el factor de seguridad a partir de soluciones de ecuaciones o fórmulas (Taylor, Fellenius)Métodos Numéricos.- Para calcular el factor de seguridad necesitan la solución de sistemas de ecuaciones y procesos de cálculos iterativos (Price y Morgenstern, Spencer. Método de rebanadas de Bishop modificado para suelos, Jambu, también para suelos.

Los suelos producen fallas de taludes por rotura circular rotacional, los métodos de análisis podemos clasificarlas:

METODOS APROXIMADOS: Método ordinario de Fellenius (dovelas) Método simplificado de Bishop (rotura circular) Método simplificado de Janbu

METODOS PRECISOS: Método de Morgenstern – Price Método de Spencer Método de Sarma

METODOS GRAFICOS: Método de Taylor Método de Bishop Método de Hoeck Bray

La evaluación de los taludes en rocas, actualmente se usa ampliamente con mayor amplitud y podríamos decir con cierta exclusividad el método de equilibrio límite. Lamentablemente esta tecnología NO permite incluir en sus análisis por ejemplo la deformación del talud, ni los sistemas de discontinuidades.

A.3.- METODOS DE LAS TECNICAS ESTEREOGRÁFICAS.-

Las proyecciones estereográficas es una herramienta muy útil en la determinación del tipo y posibilidad potencial de falla, para descartar los taludes inestables de las estables ( Test de Markland).

Por ejemplo, cuando los métodos analíticos (Hoek y Bray), son bastante tediosos, especialmente cuando se tratan discontinuidades con cohesión, agua y otras fuerzas externas, etc, la mejor alternativa de solución es utilizando los métodos estereográficos.

La masa rocosa por naturaleza está compuesta de diferentes tipos de rocas y familias de discontinuidades, obviamente ocurrirán también varias formas de rotura. Las técnicas estereográficas es una herramienta que ayuda a seleccionar y resolver gráficamente el tipo de rotura a través de las discontinuidades potencialmente inestables.

Se representan en un estereonet, las orientaciones las orientaciones de los diferentes sets de discontinuidades, así como la orientación de la cara del talud dentro de la masa rocosa, y los mecanismos de falla se determina mediante la posibilidad cinemáticas de deslizamiento. Es un método rápido, fácil, barato y simple.

2 Luis Gonzáles 446

4

3.3.- TIPOS DE ROTURA EN TALUDES.-

Como resultado de una serie de observaciones de roturas de taludes en diversas obras de ingeniería tanto mineras como civiles, se ha identificado los siguientes tipos de roturas:

A.- ROTURAS DE TALUDES SOBRE SUELOS:

Generalmente se rompen a favor de superficies circulares, controladas por su morfología y estratigrafía del lugar, pueden ser:

Rotura plana por erosión.- Cuando la superficie plana es paralela a la cara o ladera, estos son relativamente roturas raras, llamados también taludes infinitos.

Rotura por pie del talud.- Es la más frecuente, la superficie de rotura pasa por el extremo inferior del talud o pié, ocurre en terrenos homogéneos.

Rotura circular de base profunda.- Cuando el plano de rotura pasa por debajo del pié del talud.

Rotura Poligonal.- Cuando existen condiciones combinadas de estratos de diferentes competencias, formando tramos lineales. Pueden ocurrir también en masas rocosas muy fracturas que tienen sedimentos de diferentes competencias

B.- TIPOS DE ROTURA EN ROCAS.-

Los diferentes tipos de roturas en rocas, están mayormente condicionadas, por la presencia y severidad de sus fracturas y meteorización y la interacción de las orientaciones de las discontinuidades con orientaciones del talud, por lo que la estabilidad quedará definida por los parámetros de resistencia de la roca sólida y de sus discontinuidades.El análisis debe hacerse por sectores, teniendo en cuenta los siguientes:

Se consideran y se evalúan los efectos de las discontinuidades singulares (fallas, zonas de corte, grandes discontinuidades). Este puede involucrar consideraciones de varias fallas estructuralmente controladas, usando técnicas estereográficas y análisis detallado de sensibilidad o análisis probabilísticas usando métodos más sofisticados. Como resultado de este trabajo se pueden obtener ángulos de talud seguros.

La siguiente etapa es diseñar el ángulo de talud para los efectos de las discontinuidades menores, tal como sistemas de familias de discontinuidades y su posibilidad de rotura general, tales como fallas planas, cuñas o combinados.

El análisis de cada sector puede ser relativamente simple o ser muy complejo, dependiendo de las condiciones geológicas. Los más simples pueden realizarse por métodos de proyecciones estereográficas, y los más complicados mediante programas computacionales.

Los datos de entrada para los programas deben de ser los representativos de las condiciones de campo. El mecanismo de falla puede ser analizado en forma realista.

En macizos rocosos competentes, las discontinuidades son las que determinan el tipo de rotura, mientras en masas rocosas incompetentes, son las discontinuidades y la roca sólida las que determina el tipo de rotura.

5

Rotura Plana.- Ocurre a favor de un plano de discontinuidad, cuyo rumbo es aproximadamente paralelo al rumbo de la cara del talud y buzamiento a favor del talud, la condición es que: > > . Hay variantes de este tipo de falla, como rotura por un plano en la cara, pié o debajo con o sin grieta de tracción.

Rotura en cuña.- Ocurre cuando el cuerpo deslizante es un bloque en forma de cuña formado por dos sistemas de discontinuidades a favor de la línea de intersección. Para que se produzca este tipo de falla, los dos planos deben aflorar en la superficie del talud y cumplir con las condiciones geométricas de rotura plana: ( ). Este tipo de fallas generalmente se presenta en macizos rocosos con varias familias de discontinuidades, formando cuñas, cuya orientación y espaciado determinan la forma y el tamaño de los bloques.

Rotura por vuelco o desplome (Toppling).- Cuando la masa rocosa presenta formaciones de estratos o estructuras en columnas, con altos buzamientos contrarios a la inclinación del talud, con rumbos casi paralelas a la cara del talud, implican movimientos de rotación. La falla se produce por rotación de columnas o bloques de roca sobre una base y la acción de fuerzas adyacentes. Aquí el concepto de factor de seguridad no es aplicable.

Rotura por Pandeo.- También llamado por lajas, es una especie de descostramiento, con rumbo paralelo a la cara del talud, puede ocurrir con o sin flexión, la condición geométrica es: ( ). Mucho depende de la esbeltez del estrato, cuando más es la esbeltez, será más inestable.

Rotura curva.- Cuando el macizo rocoso es bastante fracturado o alterados, es decir son incompetentes, presentan un comportamiento isótropo (suelo), los planos de discontinuidad no controla el comportamiento de la masa rocosa.

EL PROFESOR

6