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UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA FACULTAD DE INGENIER(A

ESCUELA DE GEOLOGIA MINAS Y GEOFlslCA DepSrtamento de Minas

ANLISIS COMPARATIVO

DELOS

MTODOS DE ESTABILIDAD

DE TALUDES

YSU CONTROL

Parte 111.- Aspectos Complementarios

_,1qc;3

ptiAf lll

Trabajo de ascenso presentado ante la ilustre Universidad Central de .

Venezuela, para optar a la categoa de Agregado dentro del escalafn

Universitario por el Profesor Miguel Antonio Castillejo Cans

CARACAS, 1993

Castilfejo Cans, Miguel Antonio Anlisis comparativo de los mtodos de estabilidad de taludes y su control/ Miguel A. Castillejo C. Caracas: UCV, Escuela de Geologfa, Minas y Geofsica, 1993. 1. Taludes. 2.Mecnica de Rocas 624.151

Castillejo C., M.A.(1993) Anlisis Comparativo de los mtodos de estabilidad de taludes y su control. Caracas, UCV Escuela de Geologfa, Minas y Geoffsica

Trabajo de ascenso

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PARTE 111.-

18.-

18.1.-18.2.-18.3.-18.4.-18.5.-18.6.-18.7.-18.8.-18.9.-18.10.-18.11.-

19.-

19.1.-19.2.-19.3.-19.3.1.-19.3.2.-19.4.-19.4.1.-19.4.2.-19.5.-19.6.-

20.-

20.1.-20.2.-20.3.-20.4.-

21.-

21.1.-21.2.-21.2.1.-21.2.2.-21.2.3.-21.3.-21.3.1.-21.3.2.-21.3.3.-21.3.4.-21.3.5 ... 21.4.-21.4.1.-21.4.2.-21.4.3.-21.4.4.-21.5.-21.5.1.-21.5.2.-

ASPECTOS COMPLEMENTARIOS

ELEMENTOS DE RETENCIN

Introduccin 18-1 Anclajes tensados o activos 18-2 Pernos tensados 18-6 Anclajes no tensados o pasivos 18-8 Pernos no tensados o pasivos 18-11 Gunita y concreto proyectado 18-13 Contrafuertes. 18-16 Muros 18-18 Otros 18-19 Protecciones 18-20 Eleccin y cJculo 18-23

PRESIN DEL AGUA SUBTERRNEA

Introduccin 19-1 Caractersticas del agua subterrnea 19-2 Flujo del agua subterrnea en los macizos rocosos 19-3

Redes de flujo 19-8 Construccin de las redes de flujo 19-16

Investigacin de las condiciones del agua subterrnea 19-18 Medida de tas presiones 19-19 Medida de las permeabilidades 19-21

Influencia del agua en la estabilidad de taludes 19-29 Clculo del efecto del agua subterrnea 19-33

PRINCIPIOS Y MTODOS DE DRENAJE

Introduccin 20-1 Principios del drenaje 20-2 Mtodos de drenaje 20-7 Control del drenaje 20-23

INSTRUMENTACIN DE TALUDES

Introduccin 21-1 Nivel 1 21-1

Generalidades 21-1 Deteccin del movimiento del talud 21-3 Determinacin de parmetros geotcnicos en el nivel 1 21-7

Nivel 11 21-10 Generalidades 21-10 Medida de los desplazamientos del talud en el nivel 11 21-11 Parmetros geotcnlcos del nivel 11 21-15 Telemetrfa en el nivel 11 21-17

Resumen de las medidas del nl'/el n- 21-17 Nivel 111 21-17

Medida de los movimientos del talud en el nivel 111 21-17 Parmetros geotcnlcos del nivel 111 21-19 Telemetrfa en el nivel 111 21-19 Resumen de las medidas del nivel 111 21-19

Presentacin de la informacin 21-20 Desplazamientos de la supeicie 21-20 Desplazamientos profundos 21-24

Indice UCV- EscUtadlt ~.Mina y GeOfllllcll

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21.5.3.- Vibraciones 21-26 21.5.4.-_ Clulas de carga 21-26

22.- VOLADURAS DE CONTORNO

22.1.- Introduccin 22-1 22.2.- Diferentes tcnicas de voladuras de contorno 22-2 22.2.1.- Tcnica de precizallamiento 22-2 22.2.2.- Perforacin en lfnea 22-2 22.2.3.- Variante de perforaci6n en lfnea 22-4 22.2.4.- Voladura amortiguada 22-4 22.2.5.- Variante de la voladura amortiguada 22-6 22.2.6.- Recorte 22-6 22.3.- Precorte 22-8 22.3.1.- Breve resei'la histrica 22-9 22.3.2.- Interaccin de las ondas de esfuerzo y presin de gas 22-11

en el proceso de fractura que se registrar. entre dos barrenos adyacentes

22.4.- Consideraciones prcticas 22-13 22.4.1.- Variables controlables 22-14 22.5.- . Influencia de las condiciones geolgicas y estructurales del 22-20

macizo rocoso -22.6.- Anlisis cuantitativo 22-21

23.- VIBRACIONES PRODUCIDAS POR VOLADURAS

23.1.- Introduccin 23-1 23.2.- Energa requerida para la fragmentacin de rocas con 23-2

explosivos mecanismos de fracturacin 23.3.- Mecanismos de fracturacin 23-2 23.4.- Factores que afectan el nivel de vibraciones producidas por 23-7

voladuras 23.4.1.- Disposicin geomtrica de los ba1Tenos 23-7 23.4.2.- Explosivos 23-8 23.4.3.- Naturaleza del terreno 23-10 23.5.- Tipos de ondas generadas 23-11 23.6.- Leyes de propagacin Metodologfa para su detenninacin 23-15 23.7.- Criterios de dai'los 23-18 23.8.- Reduccin de los niveles de vibraciones 23-25

I 23.9.- Tensin inducida por efecto de las vibraciones 23-26

Indice UCV - Escuela de Geologla, ,,.... y Geoflslca

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PARTE ID

ASPECTOS COMPLEMENTARIOS

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18.-ELEMENTOS DE RETENCION

18.1.- Introduccin

18.2.- Anclajes tensados o activos

18.3.- Pernos tensados

18.4.- Anclajes no tensados o pasivos

18.S.- Pernos no tensados o pasivos

18.6.- Gunita y concreto proyectado

18. 7.- Contrafuertes

18.8.- Muros

18.9.- Otros

18.10.-Protecclones

18.11.-Eleccin y clculo

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Elementos de Retencin

18.- Elementos de Retencin

18.01.- Introduccin

A continuacin se describirn los diversos elementos de retencin mecnicos que se suelen utilizar para mejorar la esta-bi 1 idad de los taludes .en roca a base de aumentar la resistencia de macizo rocoso, asf como los utilizados para evitar daos de caidas de pequef\os bloques. Las mejoras de estabilidad por medio de drenajes se tratar en el capitulo siguiente.

Para elegir el tipo de retencin o combinaciones de ellos ms adecuados, se necesita tener un buen conocimiento de las carac-terfsticas del macizo rocoso y de las posibles formas de inesta-bi 1 idad, con su probabilidad, extensin y cuantificacin, asi co-mo de los distintos mtodos de retencin existentes, anal izando su viabilidad econmica (excavacin o drenaje) y su factibilidad.

Los principales elementos de retencin que se describirn, tales como anclajes y muros, son caros, por lo que su justifica-cin solo puede ser posible en ciertos casos, tales como trata-mientos de inestabilidades locales (zonas alteradas o d falla, cuas pequef\as, etc.) que no .se puedan tolerar, en sitios donde no se puede excavar con taludes mas suaves por existencia de edificios, in~talaciones, zonas. sin expropiar, etc., en posibles inestabi 1 idades a lo largo de discontinuidades con buzamientos suaves hacia el desmonte cuya excavacin sea cara, por problemas de plazo, etc.

Figura 18.01.- casos tfp1cos de empleo de elementos de retencin

. ~)f 18-1

uCv - EllCU91a de Geo1otfa, M1nu y Geofi1ca

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Elementos d~ Retencin

Existen otros mtodos de sostenimiento mas econmicos, princi- ~ palmenta superficiales, pero su efecto suele ser difcil de cuan-tificar en general.

Prcticamente el nico mtodo para corregir las inestabili-dades importantes es el de los anclajes tensados o activos, los cuales aumentan las fuerzas de rozamiento resistentes de la su-perficie de deslizamiento incrementando la componente normal, adems de tener otra componente que resiste directamente al deslizamiento. Las fuerzas que suelen aplicarse con estos an-clajes suelen ser pequeffas con relacin a las que provocan la inestabilid~d, pero el pequeffo aumento en las fuerzas resistentes pueden ser suficiente para evitar dicha inestabilidad. Otros m-todos de retencin uti 1 izados son los pernos tensados, los an-clajes o pernos sin tensar o pasivos, muros, contrafuertes, concreto proyectado, mallas, etc.

18.02.- Anclajes tensados o ctivos

a) Descripcin

Los anclajes estn formados por uno o varios alambres (de pretensado), barras o cables de acero de alta resistencia, los cuales se inyectan en un extremo y en el otro se sujetan a una cabeza, tensndolos posteriormente y transmitiendo asi esta tensin al macizo rocoso, En el anclaje se puede distinguir una zona de amarre, otra intermedia libre o de tensiones y otra exterior de cabeza.

VAINA

CABEZA DE VAINA

ESPACIADORES

INYECCION RELLENO FINAL

'MANGUERA IN_YECCION ANCLAJE

Figura 18.02.- Esquema de-anclaje

18-2 UCV - E.cuela de Geol09ia, Mtnaa y Geof'i1ca

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Las tensiones mximas utilizables por anclaje no debern exceder de 400 Tn en roca dura poco fracturada, de 200 Tn en roca dura muy fracturada o roca blanda poco fracturada y de 120 Tn en roca blanda muy fracturada. Se han hecho sin embargo, anclajes de mayor capacidad, 800 Tn y 1.000 Tn en casos muy especiales.

Las tensiones utilizadas pueden oscilar entre 25 y 400 Tn. Por debajo de 25 Tn o 30 Tn,. se denominan pernos, empleandose nica-mente barras de acero para las tensiones pequeffas. El tensado definitivo no deber ser mayor del 60% del limite elstico en los anclajes definitivos (duracin mayor de 2 affos), pudiendo oscilar ligeremente este porcentaje entre el 50% y el 60% dependiendo de los riesgos. En los anclajes provisionales (de menos de dos affos), las tensiones podrn ser del 75%, porcentaje que se redu-cirfa algo de 'acuerdo con los riesgos previsibles. Los tensados de prueba no excedern de 1 80%.

Las longitudes de los anclajes suelen variar entre 10 y 100 metros. El limite inferior depende de la longitud necesaria de tramo inyectado en el terreno, el cual es funcin de la tensin, tipo de roca, fracturacin y resistencia al corte en el contacto cemento/roca, y de la longitud libre necesaria de las barras, alambres o cables para poderlo tensar. La zona minima de amarre suele ser de unos 4 a 8 metros aunque se suele usar longitudes mayores en los anclajes largos (hasta 16 o mas metros de .amarre), no debiendo ser inferior al 10% de la longitud total.

Las adhesiones de trabajo que se _suelen 11tilizar entre la roca y el cemento ~uelen ser de 3.5 a 1 Kg/cm para roca blanda a dura, debiendose utilizar adhesiones menores (N 1) para las arci-llas pizarrosas y margas blandas. Estos valores incluyen coefi-cientes de seguridad de 2 a 3.

El limite superior est impuesto por problemas de perforacin, de fabricacin de los elementos del anclaje y de su instalacin. En el caso de anclajes de barras, estas pueden empalmarse por medio de mangitos roscados de resistencia no inferi.or a la de la barra.

Los anclajes suelen emplearse para tratar inestabi 1 idades seg~n discontinuidades profundas, pero no para problemas relati-vamente superficiales. Su fabricacin e instalacin es complica-da, sobre todo en los de tensiones elevadas, por lo que slo sue-len hacerlo las casas eapecializadas.

El soporte con los anclajes tensados se consigue por resisten-cia directa frente a las fuerzas que provocan el deslizamiento, ya que de acuerdo con el ngulo que forma el anclaje con las discontinuidades que producen la inestabilidad, hay una compo-nente que se opone a tales fuerzas, y por otra parte, aumentando la resistencia por rozamiento de la discontinuidad a~ incrementar

1as fuerzas normales a ella.

18-3 UCV - E~la de Geo109ia, Minaa y Geoffa1ca

E'ementos de Retencin

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b) Instalacin

La instalacin de un ancla-je necesita una'perforacin, la fabricacin y el montaje de sus elementos, la introdu-ce i n en el tal ad ro, la in-yecc i n primaria de amarr~, el tensado y la posible in-yeccin secundaria.

El dilimetro de la perfora-cin depende de la tensin del anclaje y del tipo y n-mero de elementos metlicos utilizados (barras, alambre o cables).

Figura 18.3.- Componentesde la Fuerza de anclaje

Para los anc.lajea de 25 Tn pueden ser suficientes perfora-ciones de 26 a 30 mm ., para los de 50 a 200 Tn harn falta dlmetros de 64 a 140 mm. y para loa de 500 Tn, de 200 a 300 mm. La perforapin se debe hacer a rotacin, con o sin entubacin, o a roto-percusin con martillo en cabeza o en fondo. La presencia de agua, caracteristicas de la roca y la estabilidad del 'taladro afectan al mtodo de perforacin y por lo tanto su precio, te-niendo en cuenta que suelen ser casi horizontales y por lo tanto de peores cond.iciones da 'Stabi.lidad que las verticales.

El taladro se debe inyectar si tiene prdidas de agua impor-tantes, observadas durante la perforacin o enaayos de permeabi-lidad a presin. Algunas normas indican inyecciones previas ~on admisiones superiores a 1 Lugeon (1 lugeon = 1/min/m a 10kg/cm ).

Los cables, alambrea o barras del anclaje se montan en una exp 1 a nada ce roana, con sus e 1 ementos aux i 1 i ares , ta 1 es como es-paciadores, tubos de inyeccin y proteccin, etc., introducien-dose luego en la perforacin, debiendo llegar hasta el fondo del taladro o cerca de l.

Luego se inyecta la zona de amarre, o todo el .taladro, si la zona libre est4 protegida por una vaina, y ae prepara para la ca-beza. Antes de proceder al tensado, deber6 esperarse unos 10 a 15 dias para el fraguado. A la lechada se suelen affadir aditivos expansivos y fluidificantes.

Las cabezas dependen del estado del macizo rocoso, tensin del anclaje, elementos utilizados, etc., soliendose hacer de concreto armado con una placa o tubo de apoyo. Los cables y alambres se suelen sujetar con cuftaa y las barras con tuercas. 81' lo. roca es muy dura y no est casi fracturada, se puede apoyar la placa y el

18-4 UCY - E.cwla de Oeologia, Mina y Oeof1a1ca

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tubo directamente sobre la roca. Si la roca es blanda o est fracturada, las cabezas de los diferentes anclajes suelen estar unidas por vigas, muros, etc.

El tensado se hace con gatos hidrulicos, por alambres o ca-bles aislados o con el conjunto. Lo primero es mejor pero es mas lent9 que lo segundo, no n~cesitando adems gatos tan potentes. En el caso de utilizacin de barras con tuerca en los anclajes de poca tensin, se suelen tensar con llaves dinamomtricas. Estos anclajes de barra de poca tensin, tambin pueden tener un siste-ma de sujecin mecnica en los extremos, debindose inyectar adems.

Generalmente suele haber prdidas de tensin de un 5% al sol-tar ~1 gato debido al asiento de las cuffas, otro 5 a 10% en los siguientes 10 dfas debfdas a la relajacin por fluencia del ace-ro, y de un 5~ a lo largo de la vida del anclaje, debido a fluen-cias a largo plazo en el acero. Otras prdidas que pueden ser importantes, son las debidas a los deslizamientos de bloques, fa-lla de la zona de amrre, movimientos de los bloques junto a la cabeza, etc. Cuando estas prdidas son superiores al 20%, con-viene investigar su causa.

Poco despus del tensado y se han estabilizado las tensiones y no se esperan deformaciones apreciables, se puede inyEfctar la zona libre del anclaje. En un cierto porcentaje de ellos (5 a 10% dependiendo de su namero), conviene no hacer esta inyeccin para poder controlar la tensin .

El control se suele hacer por medio de clulas de presin en .la cabeza. Este control .conviene hacerlo en los an-clajes mas largos y puede in-dicar el comienzo de inesta-bi 1 idades si aumenta su carga, pud i endose muchas veces tomar medidas preventivas a tiempo.

No es recomendable el control de los anclajes por retensado a base de gatos.

La instalacin de los an-clajes con sus diferentes fa-ses de perforacin, montaje, inyeccin, tensado, etc., se puede hacer en algunos casos desde la superficie del te-rreno sin preparaciones espe-

Figura 18.04.- Instalacin de anclajes o pernos

18-6 ucv - E.cuela de Geol09ia, IM1naa y Geof'ie1ca

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ciales, pero en la mayoria de los casos se necesitan andamios, :f' plataformas apoyadas sobre la ladera o suspendidas por gras, todo lo cual los puede encarecerlos considerablemente. En algunos casos se uti 1 izan plataformas o andamios para la perforacin y montaje que luego se retiran, utilizandose para el tensado gu~ndolas o andamios volantes mas ligeros.

En el caso de trabajos de anclaje en taludes que se vayan excavando, se pueden ir haciendo los anclajes a medida que se va bajando con la excavacin, evttando andamiajes o plataformas. Ello tiene los inconven.1entes de tener que interrumpir numerosas veces la excavacin con el consiguiente costo y tener que hacer voladuras posteriores a los anclajes, las cuales puede daAarlos .

. c) Proteccin contra la corrosin

La duracin de un anclaje depende de los efectos de la corro-sin. Si los anclajes no estuvieran ni en tensin ni protegidos, se podrfa considerar una reduccin de la seccin de'acero durante la vida de la obra (1 nvn. cada 30 aAos, por ejemplo). Sin embar-go, la corrosin en el acero sometido a elevadas tensiones~ puede ser muy rpida y suceder incluso en ambientes neutros, llegando a romperse.

Por ello ea muy necesaria la proteccin contra la corrosin, la cual puede ser .liquida, deformble y rigida. Las protecciones liquidas, muy pocos usadas, son a base de aceites anticorrosivos y aguas silicatadas, las deformables son grasas anticorrosivas y asfaltos sin sulfatos, geles de silicatos, resinas, mezclas arcill~/cemento o mejor bentonita/cemento, etc y las rigidas por cemento. La mas utilizada es la rigida por cemento y en .las deformables, mucho mas caras, la grasa en vainas de plstico recubriendo cada cable, barra o alambre. La proteccin contra la corrosin~- rigida por cemento tiene la ventaja de una mejor pro-teccin contra otros daffos, como los debidos a voladuras y la po-sibi 1 idad de una mayor resistencia frente a las posibles roturas por corte, sobre todo si se utilizan barras. Sin embargo, si se producen deformaciones apreciables que rompan el cemento, proba-blemente se concentrarn tensiones en el acero en la parte descu-bierta, aumentando rpidamen~e la corrosin en ese punto.

Otro tipo de proteccin empleada en algunos casos, que se sue-le hacer adems de las citadas, es la catdica.

18.03.- Pernos tensados

Los pernos tensados son barras de acero que se introducen en . un taladro fijndolas por diversos medios en el fondo.

18-6 UCV - Eacuela de Geo1091a, Mina y Geof1a1ca

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La capacidad de lo& pernos suele ser de unas pocas toneladas hasta 25 o 30, y su longitud entre 1.5 y 10.0 metros, entrando bajo el nombre de anclajes los de tensiones (o a veces longi-tudes) mayores, aunque hay un cierto solape de estas denomina-ciones.

Las barras de acero de alta resistencia tienen dimetros de hasta 32 mm., pudiendose utilizar barras de seccin mayor en los anclajes y tambin en los pernos pasivos. Recientemente se usan tambin barras de fibra de vidrio.

Los pernos tensados o .activos tienen mtodos de amarre pun-tual, bien por medios mecnicos, bien por cemento o resinas en menos de una cuarta parte de su longitud total, o bien por ambos.

Los mtodos da amarre mecnicos pueden ser por cuas que se abren al presionar el buln, por cuf\as que se abren al tirar de l cuando se aprieta la tuerca, y por cuas que se abren al girar el buln por medio de un extremo roscado. Estos mtodos de amarre puntuales necesitan una resistencia elevada de la roca y pueden ser destruidos por la corrosin, pudiendo fallar por alteracin o rotura del terreno: en el punto de anclaje.

En las rocas con fracturas poco abiertas y en donde no se teman prdidas, se pueden fijar .los pernos con cemento o resinas, siendo esto-mucho mas favorable en todos los casos, sobre' todo en las rocas menos resistentes, pudiendoae utilizar pernos de mayor capacidad y longitud y siendo mas limitadas las posibilidades de falla. Este tipo de amarre puede emplearse tambin complementando a los mecnicos.

Una vez que el cemento o resina han tomado la resistencia ade-cuada e inmediatamente en e 1 caso de los amar res mecnicos, se procede a poner en tensin, lo cual suele hacerse por medio de tuercas sobre el buln roscado y placas de apoyo con llaves dina-nomtricas. El tensado suele hacerse al 70 del limite elstico, Posteriormente al tensado, se puede inyectar con cemento para prevenir la corrosin y mejorar su posible resistencia al corte.

Las cabezas da los pernos pueden estar unidas por perfiles de acero, mallas soldadas o de "gallinero", cemento proyectado, vi-gas de concreto armado, muros, etc.

La instalacin es similar a la descrita para los anclajes, ne-cesitandose lgicamente medios menos potentes de perforacin, al ser profundidades y dimetros mucho menores. El montaje y tensado tambin son mucho mas sencillos, pudiendo ae utilizar P.lataformas o andamios mucho mas ligeros.

Los pernos descritos se suelen emplear en tratamientos relati-vamente __ superficiales de los taludes, para evitar su descompre-

" sin y movimiento de los bloques superficiales, lo cual puede li-mitar posibles roturas progresivas, para tratar peque~as inesta-

18-7 UCV - EllOU91a de Geol09fa, Minaa y Geoi'faica


bilidades locales, para impedir el deslizamiento o vuelco de blo- ~~ ques superficiales, para sujetar muros de concreto, concreto pro-yectado, etc., a base de oponerse a las fuerzas que provocan los movimientos y aumentando la resistencia por rozamiento de las discontinuidades al incrementar las fuerzas normales a ellas.

18.04.- Anclajes no tensados o pasivps

Los anclajes no tens.ados son si mi 1 ares a 1 os tensados ya des-critos, con la anica diferencia, que no ae tensan, lo cual hace mas sencilla, rpida y econmica su instalacin. Estos anclajes van cementados en toda su longitud generalmente.

Para comprender e 1 mecanismo de funcionami.ento de los anc 1 ajes pasivos, es importante conocer el fenmeno de la dilatancia'" de las discontinuidades. Al producirse a1 movimiento relativo de los bordes de una discontinuidad y sf esta tiene una mfnima rugosi-dad, se produce una apertura para poder sa 1 tar 1 as rugos i dades o resaltes que se conoce con el nombre de "dilatancia'", (figura 18. 05 ) 1 a cua 1 es mayor para tensiones normal es pequeff as, debido a que las tensiones altas tienden a romper los picos de las ru-gosidades (Figura 18.06). Estas aperuuras de las discontinuidades suelen ser pequeffas, ya que por ejemplo 3 mm de despl~amiento pueden producir una dilatancia de 0.3 mm. La dilatancia podr ser nula en las discontinuidades lisas no rugosas con relleno arci-lloso.

Figura 18.05.0ilatancia

18-8 ucv - E.cuela de O.Ol09ia, Mtnaa y Geof'iatca

Si se produce un movimien-to entre bloques separados por una discontinuidad que es atravesada por un an-claje, la dilatancia pn-dr en tensin el anclaje, aumentando la componente normal a la discontinuidad y por lo tanto aumentando su rozamiento. Adems el desplazamiento paralelo a la discontinuidad tambin lo pondr en tensin, la cual se opondr a la que provoca el deslizamiento.

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o __.__ TENSION NORMAL BAJA

------ ---- TENSION NORMAL MEDIA _....__ TENSIDN NORMAL ALTA

O ES PLAZA MIENTO


Figura 18.06. Efecto de la tensin normal en la dilatancia

La eficacia del aumento de rozamiento de la discontinuidad por los anclajes pasivos depende de la importancia de la dilatancia y de que los valores mximos de sta coincidan con l,os de la resis-tencia pico, lo cual suele suceder (figura 18.07). Si la dilatan-cia es nula o incluso negativa, la eficacia de este tipo de anclajes es reducida.

OllATMCIA DESPLAZAMIENTO DILATANCIA MAXIMA

DESPLAZAMIENTO MAXIMA .. -. i

RESISTENCIA RESISTENCIA DE PICO DE PICO

(a) $

RESISTENCIA DE ANCLA.11 flOR LA DILATANCIA

PROPIA DE LA .WNTA

TOTAL

(b}

Figura 18.07.- Principio de sostenimiento con anclajes no tensados:

a) la resistencia pico de la discontinuidad y la mxima del anclaje por la dilatancia coinciden y loa anclajes sern efectivos. __

b) No coinciden y sern poco efectivos (SegOn R.Sage - Pit Slope Manual)

18-9 UCV - Eecuela de Geol09fa, Minaa y Qeof'fsica


La resistencia al corte a lo largo de una discontinuidad suele -0' aumentar hasta un mximo (resistencia pico) que se produce con un desplazamiento muy pequeo y luego baja hasta alcanzar un valor constante (resistencia residual). La curva intrnseca de las re-sistencias pico indica un elevado ngulo de rozamiento para pe-queas-tensiones normales y una cohesin aparente para las eleva-das (figura 18.08). La diferencia entre _las resistencias residual y pico suele depender de su rugosidad, imbricacin, relleno, etc. Con desplazamientos apreciables, solo queda el rozamiento resi-dual, por lo que se produce una gran prdida de resistencia. Los anclajes pasivos limitan los desplazamientos y por lo tanto evitan esta prdida de ~esistencia.

Figura 18.08.- Resistencias pico y residual

Para que trabajen estos anclajes debe por lo tanto producirse un movimiento relativo entre los bordes de 1 a di sconti nui dad, lo cual agrietar el cemento, poniendo en tensin el acero en ese punto e in-crementando considerable-mente los riesgos de co-rrosin en ese punto fun-damenta 1 , 1 o cua 1 es una desventaja importante.

En el caso de los anclajes activos no cementados salvo en su zona de amarre, una pequelia apertura de una discontinuidad no.mo-difica apenas la carga del acero, ya que esta apertura es muy pequea con relacin al tramo libre, pudiendo pasarse de la dila-tancia mxima y de la resistencia pico. Si el anclaje est cemen-tado en toda su 1 ong i tud, esta apertura puede originar fuertes tensiones en el acsro junto a la discontinuidad, las cuales de-pendern de la apertura y de la longitud de acero que se despegue del cemento. Si el acero est previamente tensado hasta el 60 o 70% de su limite elstico, las cargas adicionales que podr re-sistir en ese punto sern inferiores que si no estuviera-tensado.

Estas caracteristieas de los anclajes pasivos son compartidas con los pernos pasivos, aunque stos lgicamente con menor capa-cidad de carga, por lo que no se repetirn para ellos, haciendo ms hincapi en cambio en su resistencia al corte y puesta en carga para desplazamientos muy pequeos, de mejor uti 1 i zacin en e 1 caso de pernos de barras de acero y peor en e 1 caso de a 1 am-bres y cables, cuya resistencia por corte depende en gran medida del mayor espesor y de la resistencia del relleno, pudiendo stos tener mayores desplazamientos a lo largo de la discontiniudad.

18-10 UCV - Escuela de Geologia, Minaa y Geofiaica


18.05.- Pernos no tensados o pasivos

Los pernos no tensados son barras de acero que se introducen en una perforacin, cementndolos en toda su longitud y pudiendo tener o no cabeza de placa y-tuerca sobre la barra roscada. Tam-bin pueden tener resaltes o tuercas para aumentar su agarre al cemento. La inyeccin de las perforaciones puede hacerse antes o despus de la introduccin de la barra. Las barras pueden ocupar todo o solo parte de la perforacin, pudiendo emplear otro tipo de elementos metlicos,como rales, perfiles, etc.

Tambin se pueden utilizar pernos inyectados con resinas, lo cual se suele hacer por medio de cartuchos o encofrados (tubos perforados), teniendo la ventaja de alcanzar su resistencia definitiva en una hora, pero con los inconvenientes de necesitar una roca muy sana y poco fracturada y de tener problemas de endurecimiento y adherencia por el agua, por lo que no suelen pasar de 4 metros.

La diferencia .principal entre los pernos y anclajes activos y los pasivos es que loa primeros introducen una fuerza exterior de intensidad y direccin conocida, mientras que los segundos limi-tan las deformaciones internas, las cuales llevarian consigo una rpida disminucin de las caracteristicas de resistencia. '

Uno de los principales inconvenientes de este tipo de pernos es el ya se~alado anteriormente, del efecto de la corrosin cuan-do se agrieta el cemento y se pone en carga la barra, no pudien-dose observar en superficie su rotura.

Este tipo de pernos son de muy fcil instalacin, pudiendo ha-cerse fcilmente con los equipos usuales de obra, sin necesidad de equipos de tensado, etc. Al no necesitar apenas espera por montajes, fraguados o tensados, su instalacin se puede hacer en algunos casos al ir bajando la excavacin, evitando los costosos andamiajes o plataformas.

La experiencia actual indica que este tipo de pernos son muy efectivos en rocas fracturadas y estratificadas, evitando los desplazamientos y movilizando inmediatamente la resistencia de la barra con una mfnima apertura de la discontinuidad, mejorando su resistencia al corte y a la traccin y sobre todo, evitando su degradacin y rotura progresiva, y aprovechando la resistencia pico de las discontinuidades.

La rotura de un macizo rocoso se puede producir poco a poco comenzando con pequeftos movimientos en los bloques superficiales, que permitan los de otros cada vez ms hacia adentro. Con fuerzas relativamente pequef\aa ae puede en muchos casos impedir los movi-mientos de los bloques superficiales, evitando el comienzo de la rotura progresiva, conaervanda la cohesin natural de las discon-tinuidades pudiendo hacer efectos de acuffamiento de bloques.

18-11 UCV ":' E.auela de Geologfa, Mtnaa y Geofftca

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Los pernos trabajan por traccin aprovechando el efecto de dilatancia ya descrito que puede incrementar el rozamiento, por resistencia directa a las fuerzas que producen el deslizamiento y por resistencia al corte de la barra, teniendo gran importancia en estos efectos, su inclinacin con respecto a la discontinidad, la resistencia de la roca. alrededor de la per.foracin y disconti-nuidad, 1 a resistencia y e$pesor de 1 cemento de re 11 eno, e 1 despegue tle la barra con el cemento, los desplazamientos relati-vos, etc.

El clculo de los pernos pasivos no es posible prcticamente, ya que se suman muchos efectos, habiendose hecho numerosos ensa-yos de laboratorio y campo para conocerlos.

Las conclusiones de los ensayos efectuados en Francia (Azuar, Oebreuille, Habib, Londe, Panet, Rochet y Salembier) pueden resu-mirse en los siguientes puntos:

La influencia de un relleno resistente es muy importante, ya que permite poner en tensin a la barra para desplazamientos muy pequeffos. Esta influencia es mayor cuando las barras no son normales a la discontinuidad. Como esta inclinacin puede tener el mismo efecto que la dilatancia (figura 18.09), sta influencia del relleno debe ser tomada muy en cuenta en las discontinuidades dilatantes. ,

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- -Figura 18.09.- Perno inclifl:Ado perno nonnal sobre una discontinuidad

En discontinuidades no dilatantes son ms eficaces los pernos inclinados que los normales, sobre todo para desplazamiento menores de 1 mm.

El aporte final d la barra a la resistencia de la disconti-nuidad no di latante es, para las barras perpendiculares del orden del 60 a 80 de la resistencia a la traccin de la barra y del 90 en las inclinadas. Como la resistencia al corte de la barra suele ser del 65 al 70X de su resistencia a la traccin, este aporte es algo superior a ,u resistencia al corte. cuanto ms bajo es el 6ngulo que forma el perno con la discontinui-dad, la resistencia del perno puede ser mayor, pero su rotura se produce para desplazamientos tangenciales ms pequeffos.

18-12 UCV - Eecuela de Geolog1a, Mina '/ Geof'iaica


Cuando la barra es normal a una discontinuidad no dilatante, su resistencia es principalmente por corte. Si el relleno entre la barra y la roca es resistente, el aporte de la barra crece rpidamente en funcin del desplazamiento hasta 1 mm. aproximadamente, continuando su aumento luego lentamente y siendo mximo en el momento de la ruptura de la barra, que puede suceder con desplazamientos de uno a dos dimetros. El aporte final suele ser ligeramente superior a la resistencia al corte de la barra.

Cuando la barra est inclinada con respecto a la discontinidad o cuando sta es dilatante, la barra resiste al corte y a la traccin, variando la reparticin entre ambos esfuerzos a lo largo del desplazamiento. Las curvas esfuerzo deformacin tienen un pico para un desplazamiento muy peque~o, inferior a 1 mm. El aporte final de la barra es del orden del 80 a 90% de su resistencia a la traccin.

Es probable que el fenmeno de aumento rpido del aporte de la barra para desplazamientos inferiores a 1 mm., lo que explica la eficacia del refuerzo de los macizos rocosos por medio de barras cementadas.

Si la barra est inclinada con respecto a la disco~tinuidad pero en sentido opuesto al de desplazamiento, en discontinui-dades no dilatantes, su efecto se asemejar probablemente al caso de la barra normal.

BARRA l

I BARRA

Figura 18.10.- Trabajo de los pemos canantados

18.06.- Gunita y concreto proyectado

a) Descripcin

La gunita y el concreto proyectado es mortero o concreto de cemento proyectado mediante presin neumtica sobre una superf1-

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18-13 ucv - E.cuela de a.o1091a, Minaa y Geof'1aica

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cie. La diferencia de denominaciones es debida al tama~o de los -~ ridos, hasta 6 a 8 mm en el primer caso y hasta 20 e incluso 30 mm en el segundo, aunque a veces se emplea el nombre de gunita en ambos casos.

La gunita y el concreto proyectado se proyectan a alta veloci-dad sobre la superficie rocosa, resultando al principio un recha-zo o rebote de los ridos mayores, los cuales se van adhiriendo poco a poco, originando altas resistencias a traccin y corte en el contacto con la roca e incluso en la gunita.

Estos mtodos son de tratamiento superficial de los taludes, evitando la caida de pequeos bloques y la alteracin, degrada-cin y descompresin progresiva del macizo rocoso, lo cual es importante con vistas a la estabilidad a largo plazo. Tambin mejoran la resistencia de las discontinuidades que afloran en la ladera por la capa que las une.

Para mejorar la resistencia de la gunita y del concreto pro-yectado, se suelen aplicar sobre estos mallas (tipo gallinero o electrosoldadas) sujetas por pernos o bulones de mayor o menor capacidad. En el caso de usar malla, sta debe estar muy cerca de la superficie, lo cual puede ser dificil cuando esta es irregu-lar.

Otro mtodo de armar la gunita todavia poco uti 1 izade, es el de mezclar con los ridos y el cemento, alambres de 0.25 a 0.50 mm. de dimetro y d! unos 2.5 cm. de largo en una proporcin entre 120 y 240 kg/m , lo cual incrementa altamente su resisten-cia, pero reduce el rendimiento de aplicacin y es peligroso.

El espesor minimo de la gunita no armada es de 2 cm y 5 cm si es armada, siendo tO cm el espesor mas corriente, aunque espe-sores de 30 y mas cent i metros son usua 1 es. En e 1 caso de utilizacin de mallas, stas debern estar recubiertas por ambos lados en un minimo de 2 cm., lo cual origina zonas de espesores mucho mayores cuando la superficie del talud es irregular y la malla no se ha podido adaptar debidamente. El control del espesor se puede hacer por barras sujetas a la superficie y por perfora-ciones posteriores.

Un gran inconveniente de la gunita y del concreto proyectado es la posible creacin de presiones de agua debido a su impermea-bilidad, lo cual puede evitarse en muchos casos dejando tubos de drenaje superficiales, principalmente en las zonas donde se vean afluencias de agua y perforando numerosos drenes despus de la aplicacin de la gunita.

Los casos en donde suele ser mas til el empleo de la gunita son en taludes en rocas margosas muy alterables pero poco imper-meables y en rocas muy fracturadas pero de permeabilidad elevada

. en donde los drenes sern muy efectivos.

18-14 UCV - E.cuela de Geo1ogfa, Mina y Geof'fica ~

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b) Aridos y dosificaciones

Una buena graduacin de los ridos es importante para permitir su bombeo a travs de la manguera y boquilla, empleandose varios tipos de husos granulomtricos para la gunita y el concreto proyectado.

Los ridos debern lavarse si tienen un contenido de arcilla superior al 3%, debiendo tener una humedad entre el 2 y el 5% (a 8%) y mejor entre 3 y 4%. Si la humedad es menor producen mucho polvo y si es mayor pueden hacer comenzar el fraguado del cemento en la mezcladora.

Los ridos finos dan menos rechazo y mezclan mejor, pero los gruesos dan mayores r4jasistencias con menores dosificaciones de cemento y r~dycen las excesivas retracciones por fraguado.

L~s dosificaciones normales de cemento oscilan entr~ 300 y 500 kg/m , con valores mas comunes entre 400 y 450 kg/m , con las ltimas de las cuales se suelen oonsegu_ir resistencias en la gunita a los 28 dias entre 200 y 350 kg/cm

c) Aplicacin

Existen dos formas de aplicacin de la gunita y el concreto proyectado, por via seca y por via hmeda, siendo muchisimo mas empleada la primera.

En la vfa seca, a la mezcla seca de los ridos con el cemento y posibles aditivos acelerantes de fraguado, se a~ade el agua en la boquilla de salida.

En la vfa hmeda se mezclan previamente los ridos con el cemento y agua, transportandolos hasta la boquilla por bombeo mecnico y presin neumtica y pudiendo affadir entonces los aditivos acelerantes de fraguado.

En ambos casos se necesita una instalacin para el suministro de aire y agua a presin.

La via seca tiene la ventaja de mayores rendimientos, de per-mitir una mayor longitud de manguera de aplicacin y de tener un mejor control por el operador de la proporcin de agua, pudiendo-la variar de acuerdo con loa resultados, reas hmedas de la ro-ca, etc. Con la via hameda se puedemedir mejor la cantidad de agua de la mezcla y se tiene una mayor seguridad de que sta se .efect(la bien, pero el cambio de proporciona.a es lento y no se puede adecuar facilmente a las condiciones del talud. Otras ven-tajas de la via hmeda es que produce menos polvo, que necesita

18-15 1ICV - l9CIU91a de Cleol09fa, Minas y Geoffsica

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b) Aridos y dosificaciones

Una buena graduacin de los ridos es importante para permitir SU bombeo a travs de la manguera y boquilla, empleandose varios tipos de husos granulomtricos para la gunita y el concreto proyectado.

Los ridos debern lavarse si tienen un contenido de arcilla superior al 3%, debiendo tener una humedad entrete1 2 y el 5% (a 8%) y mejor entre 3 y 4%. Si la humedad es menor producen mucho polvo y si es mayor pueden hacer comenzar el fraguado del cemento en la mezcladora.

Los ridos finos dan menos rechazo y mezclan mejor, pero los gruesos daff mayores resistencias con menores dosificaciones de cemento y r~ducen las excesivas retracciones por fraguado.

t L~s dosificaciones normales de cemento oscilan entr~ 300 y 500

kg/m , con valores mas comunes entre 400 y 450 kg/m , con las ltimas de las cuales se suelen consegu2ir resistencias en la gunita a los 28 dias entre 200 y 350 kg/cm

c) Aplicacin

Existen dos formas de aplicacin de la gunita y el concreto proyectado, por via. seca y por via hmeda, siendo muchsimo mas empleada la primera.

En la via seca, a la mezcla seca de los ridos con el cemento y posibles aditivos acelerantes de fraguado, $e aade el agua en la boquilla ~e salida.

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e.amento y agua, transportandolos hasta la boquilla por bombeo mecnico y presin neumtica y pudiendo af\adir entonces los aditivos acelerantes de fraguado.

En ambos casos se necesita una instalacin para el suministro de aire y agua a presin. ~

La via seca tiene la ventaja de mayores rendimientos, de per-mitir una mayor longitud de manguera de aplicacin y de tener un mejor control por el operador de la proporcin de agua~ pudiendo-la variar de acuerdo con los resultados, reas hmedas de la ro-ca, etc. Con la via h'1meda se puede medir mejor la cantidad de agua de la mezcla y se tiene una mayor seguridad de que sta se efecta bien, pero el cambio de proporciones es lento y no se

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18-15 UCV - Escue1a de Geo1og1a, Minas y Geofisica


operadores menos experimentados y que suele originar menos prdidas por rechazo.

Antes de la aplicacin de la gunita, se deber sanear la su-perficie, quitando los pequeos bloques sueltos, arcillas e im-purezas superficiales, etc., principalmente a base de chorros de agua y aire. La superficie deber estar hmeda pero sin corriente de agua.

El gunitado se suele hacer desde una pla~aforma suspendida desde una gra o desde. la superficie o andamH~jes. La distancia ptima de la boquilla oscila entre 1 y 2 metros, debiendo manten-er el chorro normal a la superficie para reducir el rechazo.

El rechazo o rebote depende de la habilidad del operados, de la ~istancia de proyeccin, de la inclinacin, de la granulome-trfa y del empleo de aditivos, debiendo ser del 10 al 30%, aunque puede oscilar entre el 5 y el 50%. Los mayores porcentajes de re-chazo los dan los ridos de unos 12 a 15tmm., siendo menores cuanto mas finos ~xistan por debajo de estas c~fras.

La temperatura de la superficie de la roca no deber s~r infe-rior a sc, ni ser inferior a oc durante la primera semana. Se deber mantener la humedad superficial durante 2 a 4 dfas para el curado de la gunita, regandola con un compuesto de curado o cu-briendol a con sacos de arpillera humedecidos, evitando ~e d el sol.

El volumen de gunita o concreto proyectado se calcula de acuerdo con el espesor medio previsto y con la superficie a tra-tar. Sin embargo suele haber incrementos de hasta el 75% sobre esta cantidad o incluso mayores para espesores pequeos, debido al rechazo y a las irregulares de la superficie.

18.07.- Contrafuertes

Se conocen bajo este nombre a refuerzos de escollera per-meable, bien1 suelta o bien retenida pqr muros o celdas de concre-to madera.

Las escolleras rellenando cestar de alambre, co~ocidas con el nombre de gaviones", tambin pueden entrar dentro de esta cla-sificacin.

Los contrafuertes ~stn indicados principalmente para evitar deslizamientos por rotura circular profunda, oponiendose por su propio peso e incrementando la tensin normal sobre la superficie de deslizamiento, aumentando por lo tanto la resistencia por ro-zamiento. Tambin se usan para estabi 1 izar roturas planas, con-trarrestando el deslizamiento por su resistencta al desplaza-miento lateral.

18-16 UCV - Escuela de Geologia, Minaa y.Geofisica

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Este mtodo de retencin slo es til si se dispone de sufi-ciente espacio en el pie del talud y si la superficie de desliza-miento corta al talud cerca de su pie o por debajo de l, ya que si lo cortar a mayor altura, la parte baja del contra fuerte

sera intil.

Su forma mas efectiva es la indicada en la figura 18.11. sin embargo, si son de esperar adems crculos o planos mas altos y superficiales, la escoller se puede subir por ~l talud, tal como se indica en la figura 18.12, aunque se parte ~ta podra llegar a ser desestabilizadora frente a movimientos ma~: profundos.

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Figura 18.11.- Contrafuertes de escollera

Figura 18.12.- Contrafuertes para deslizamientos superficiales

18-17 UCV - Escuela de Geolog1a, Minas y Geof1sica

1


Si la escollera no fuera permeable, su efecto podra llegar a ser negativo, por lo que es muy importante vigilar esta caracte-rstica, pudiendose poner una capa de filtro entre el talud y la escollera si se.esperan arrastres importantes de finos hacia sta que pudieran llegar a colmatarla.

18.08.- Muros ~

Los muros son estrurituras de concreto armado{o manpostera y menos frecuente de acero y madera, que se usan para ofrecer resistencia a un deslizamiento o para retener bloques sueltos. Los muros debern tener mechina les y re 11 e nos granulares en su parte posterior.

Figura 18.13.-Muros

NIVEL ARQLLOSO O RELLENO DE FALLA

Como loa muros-~on elementos muy caros, slo se suelen emplear en casos concretos, tales como inestabilidades locales por fallas o zonas alteradas, protecciones de carreteras o edificios, etc.

Un caso tipico de utilizacin de muros, tanto al pi del talud como a media ladera, es cuando existen niveles blandos alterables bien definidos casi horizontales, o fallas con relle~os arcillo-sos. en este caso, los muros evitan la degradacin del nivel blando e incluso su posible extrusin, todo lo cual originaria el desprendimiento de los niveles duros superiores.

Los muros de concreto pueden estar armados o n, anclados o bulonados al terreno, tener contrafuertes, etc.

Para ponerse en carga los muros, si no estn complementados por anclajes activos, necesitan que haya movimientos del macizo

18-18 UCV - Escuela da Geolog1a, Mina y Geof1aica

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rocoso, lo cual es desfavorable comparandolo con los anclajes pretensados, pernos pasivos, etc.

18.9. Otros

Dentro de otros sistemas de retencin menos empleados podemos citar los siguientes:

a) Engrapados

Utilizados raramente para unir bloques superfic;ales, se ha-cen dos perforaciones pequeas y se introduce una barra de acero en forma de "U", cementando las perforaciones poste-riormente.

b) Inyeccin

En algunos casos de discontinuidades abiertas y sin rellenos arci 11 osos, se puede inyectar stas con lechada o mortero sin presin.

La inyeccin puede mejorar la resistencia de las disconti-nuidades al fraguar el cemento, pero esta mejora ser pro-blemtica si tienen rellenos arcillosos.

Por otra parte, aunque se inyecte sin presin, la lechada ocasionar una presin imp~rtante que -puede originar la inestabilidad, por lo que deberia inyectarse antes de haber puesto anclajes u otro medio de sostenimiento, o bien se podria inyectar antes de la excavacin si ello fuera posi-b 1 e. Adems, 1 a inyeccin puede i mpermeabi 1 izar e 1 macizo rocoso, dificultando su drenaje y haciendo aumentar las presiones de agua.

e) Tratamiento de diacontinutdadaa

En casos muy especiales en qua ae necesite una gran seguri-dad y la discontinidad que puede provocar la fallaes conti-nua y con rellenos arcillosos importantes, como pudiera ser por ejemplo los estribos de una presa tipo bveda, se puede recurrir a la ejecucin de galriaa a lo largo de una falla, las cuales se rellenarn con concreto y :ae lea puede poner drenajes. Tambin ae han llegado en algunos caeos a extraer en zonas mas o menos extenaas el :relleno arci 1 loso y bordes a1terados de la falla y sustituirlo posteriormente con concreto.

18-19 UCY - Eecwla de Geologia, Mtnaa y Geofiatca

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GALERIA RELLENA DE HORMIGON

Figura 18.14.- Tratamiento de discontinuidades

d) Tratamientos superficiales de rocas muy blandas

En rocas muy blandas o alteradas, pueden haber otro tipo de tratamiento, tales como vegetacin, fajinas, bovedillas o ele-mentos de concreto, gaviones, etc.

18.10.- Protecciones

Los elementos de retencin citados hasta aqui se oponen a los movimientos en forma mecnica, mientras que los diversos tipos de protecciones que citaremos to impiden los deslizamientos o ca i-das, pero evitan o reducen sua efectos si son de pequeffo volmen.

a) Mallas

Las mallas se utilizan como armadura de1 gunitado, en cuyo ca-so deben adaptarse lo mas posible a la pared rocosa con nume-rosos pernos o bulones para evitar separaciones grandes que hagan incrementar el espesor medio de la ~apa de gunita, y como retencin de piedras y de pequeftos bloques, en cuyo caso se cuelgan de su parte superior de bulones o vigas o de cables sujetos a bulonea, o de perfiles metli,coa galvanizados empo-trados en coronacin, etc. pudiendo tener algunos bulones intermedios.

En el caao de las malla de proteccin, se utilizan las de tipo "gallinero" de una o tres vueltas, siendo mejores estas ltimaa-, ya que en las primeras lae roturas se pueden extender fci lmente. Estas mal las estn hechas de alambres galvaniza-dos, con mayor o menor recubrimiento de zinc o incluso con recubrimiento de plstico.

18-20 ucv - Eecuela de Geolotfa, Mina 'I Geoffaica

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Tambin se usan recientemente mallas de plstico, que tienen mucho menor plstico y resistencia, adaptandose mejor a la forma del terreno y siendo mas fciles de colocar que las metlicas.

Para el armado de la gunita, adems de las citadas metlicas, se utilizan otras reticulares e1ectrosoldadas, de mayor resis-tencia pero ms difciles de adaptar a las irregularidades del terreno, en diversos tama~os de retcula y area de acreo. Las ms ligeras tambin se han empleado para control de cadas.

Figura 18.15.- Protecciones

b) Cunetas, bermas, barreras, etc.

Los bloques que se desprenden de uh talud rocoso caen de di-versa manera segn su forma, pendiente e irregularidades del talud, tipo de roca, etc. Con pendientes inferiores a unos 30" a 37, las rocas no suelen caer. Entre 37 y 45 los bloques rodarn, pudiendose usar barreras, cunetas o bermas. El ancho necesario para stas Oltimas depender de la altura del talud y tipo de roca, pudiendo ser de 3 a 4 metros para alturas no muy grandes en rocas blandas y 7 metros en rocas duras, de-biendo tener la cuneta o berma un borde, caballn o barrera de 1.5 a 2.0 metros. Tambin se pueden utilizar barreras a diver-sas alturas en los taludes de gran altura. Los eaballones en el borde de las bermas pueden tener el inconveniente de crear peque~as inestabilidades.

Para taludes del orden de los 55" a 70", los bloques caern rebotando, no siendo eficaces las barreras y pudiendo ponerse bermas o cunetas entre 6 y 12 metros segn la altura y tipo de

18-21 uev - E~la a. ..OO.~. 'Minas y oaofiica

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Elementos ,de.,Retencin

roca, con similar borde.

En pendientes superiores a 70, los bloques tendrn cada libre sin tocar la ladera, necesitando cunetas entre 6 y 11 metros.

En el caso frecuente de que la superficie del talud coincida aproximadamente con a estratificacin, estando sta bien mar-cada, los deslizamientos de bloques lajosos sobre estas super-ficies podrn comenzar para pendientes mucho ms reducidas, y podrn ser sin rebot~s sobre pendientes mayores de 45 1 siendo entonces efectivas las barreras.

PERP'IL GALVANIZADO

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GRAVA DE AMORTIGUAClpN

Figura 18.16.- Barreras de prote~c16n

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Las cunetas de .pi de talud y .bermas intermedias necesi.tan anchos importantes y colocar caballones, resaltes o barreras en su extremo para que sean efectivas, pudiendose reducir algo su ancho, si se les coloca

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un fondo grueso de grava que amor-tigue el golpe. El ancho mfnimo de las bermas debe ser de 5 metros, para permitir efect~ar trabajos desde ellas.

Las barreras o vallas se ~uelen hacer con perfiles metlicos introducidos verticalmente en perforaciones en la roca, a los cua 1 es se sujetan cab 1 es,, cadenas o ma 11 as. Estos cab 1 es pueden ir sujetos por reso~tes para amortiguar los golpes. La altura de las barreras es d~ 1 a 2 metros.

Otros ele1Rentos de protecd1n suele ser la efecucin de t(l-neles falsos en el pi del talud para el paso de la carretera, los saneas del talud con c~orros de agua o aire o con hombres sujetos con cuerdas y las posibles sujeciones de bloques con cadenas o cables.

18-22 UCV - E9CU9la de O.Ologia, Mina y Geof'iaica

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18.11.- Eleccin y c41culo

La eleccin y clculo de un elemento de retencin necesita el conocimiento detallado del macizo rocoso, con su estructura, caracteristicas y niveles freticos, la forma de la inestabilidad existente o posible, de los riesgos existentes, de los distintos tipos de medios de retencin o:combinaci de el loa que se pueden emplear, etc. Tambin e necesario hacer el estudio cuantitativo de la estabilidad del ta1ud, con y sin soportes, valorando las diversas soluciones de mejor.amiento de la estabilidad por medio de excavacin drenaje o mecnico.

Una vez hcho el clculo y decision del mtodo a emplear y de su capacidad necesaria, hay que conocer la reparticin de cargas entre mas o menos e 1 amentos, su 1 ong i tud o caracter f st i cas, uniones entre ellos, etc. Por ejemplo, si en un talud hace falta una fuerza de 2.000 Tn para lograr su estabi izacin, habr que ver si se emplean 100 bulones de 20 Tn o 10 anclajes de 200 Tn, su longitud, zona de amarrre, etc.

En el proyecto de anclajes y pernos hay que evitar que sus extremos queden alineados, sobre todo paralelamente a las discon-tinuidades existentes, ya que pueden crear concentraciones de tensiones sobre uno de dichos planos y provocar un deslizamiento mas profundo. Tambin son muy importantes las uniones por vigas o muros entre o:anc~t1fjea tewuinetcittu~ :f-rllctradoa y 1ongit1ifdes mas adecuadas. suelen ser comunes las fallas de anclajes o bulones por deslizamiento de toda la masa anclada por superficies mas profundas," por.. fallas en que quedan1oa~ .. t;ulonea c>--nclajes fijos en su extremo, desprendiendose ia roca-en el medio y cabeza por falla de la zona de amarre, siendo mas raras las roturas del acero, exepto en loa casos~ en que el movimiento ya se habia 1 n 1 c i ado. : : e .. : o - .

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A continuacin se resume el clculo de la fuerza de anclaje y e 1 ecc i n de 1 os di versos ti poa de retenciones segn e 1 tipo de rotura, estado del macizo, etc . .

a) Falla Plana

Este caso ae .. produce a lo ~largo de diecontinuidades con un buzamiento inferior al del ""lud y en au mi..O sentido, siendo su extenein grande a lo.largo del talud, por lo que se estu-dia en dos dimensiones.

Este tipo de fallas - podrf-a oorreei r con anclajes activos suficientemente profundos, oon aua cabezas ... o menos unidas por vigas, muros, gunita armada, -etc. dependiendo del estado de macizo rocoso auperficial11ente. Tmabi6n .. pueden emplear muros, contrafuertes y anclajes o bulonea paeivoe.

18-23 ucv - ._,. de GN109fa, Minaa y ~feica

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Elementos de ~nc16n

Para el clculo de la fuerza de anclaje necesaria en el caso tipico de la figura 18.17, e1 factor de seguridad seria, sin considerar el efecto del agua en las discontinuidades, ni del efecto siamico o voladuras:

e H ----- + (W coa a + T sen (a+e)) tan + T coa (a+e) sen a

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Figura 18.17.-Falla plana. ~lculo de la fuerza de ancl~e

Si a+e es~ eomprendido entre o y 90, F aumenta al hacerlo la ft:lerza de anclaje.

Para hallar la direccin ptima de anclaje, se halla el mximo de F derivando con respecto e e igualando a cero, obteniendo para 6= - a, siendo el ngulo de friccin de la disconti-nuidad.

Como suele ser inferior a a cuando se emplean anclajes, 6 suele ser negativo, esto ea, con inclinacin hacia la superfi-cie (arriba). Sin embargo en muchos casos la inclinacin de los anclajes se hace con 10 a 15 hacia el interior lo cual, aunque hace aumentar 1 igeramente el factor de seguridad, faci 1 ita en gran .-nera .la perforacin, instalacin y sobre toc:to la 1nyeco16n de'Jow anclaJ;Y por lo tanto loe abarata, :r 10 que la 1nclinai6n dptilla no oorreaponde ai911pre a 1

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18-24 UCV - lllCU91a d9 Geolotfa, MtnM y Geof'itca

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vertical a la fuerza del bloque debida al peso W en un ngulo e = tan- 1 K.

Considerando ahora estas fuerzas, el factor de seguridad ser:

c H ----- + (W cos(a+e) - U+ T sen (a+6)) tan~+ T cos (a+6) sen a

F = ----------------------------------------------------------W sen (a+e)

La direccin ptima de anclaje resulta igualmente para 6 = ~ -a.

El factor de seguridad es el cociente entre las fuerzas que se oponen al deslizamiento y las que lo provocan.

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Figura 18.18.- Rotura plana con grieta de tensin en la cresta. Clculo de la fuerza de anclaje

b) Falla en cuffa

La falla en cuffa puede suceder cuando las fuerzas que provocan el deslizamiento debidas a su peso, posible carga exterior, presiones de agua, acciones sfsmicas, etc., son mayores que las de la resistencia al corte de' las discontinuidades y si la lfnea de interseccin de estas aflora en el talud. El desliza-miento puede ser a lo largo de una o dos discontinuidades, lo cual depende de su orientacin.

En la figura 18.19, aparece una c.uffa bien definida, lo cual no es siamre fcil de delimitar, ya que como las discontinuidades suelen estar en familias, puede haber numerosas otras cuas de mayor o menor tamao.

18-25 ucV - EK~la de eo19ia, M'ina y Geoffaica

------------------- -~ -

i 1 ?

--- ------------- _________________________________ __J ___ _


Figura 18.19.- Falla en cufta

Las fallas por rotura en cua &e pueden corregir por medio de anclajes activos suficientemente profundos, anclajes y bulones pasivos, muros y contrafuertes, gunita, etc. En la eleccin del tipo y caractersticas de los elementos de retencin, habr que considerar las otras posibles cuas citadas.

El anlisis de las condiciones de inestabilidad y del efecto de los soportes, deben tener en cuenta la naturaleza tridimen-sional del problema, siendo por lo tanto muy complejo. Si el deslizamiento fuera solamente a lo largo de una de las discon-tinuidades, su anlisis sera sencillo, pero si es en las dos, es muy largo y tedioso, por lo que es ms conveniente obtener la solucin a travs del computador.

El factor de seguridad de la cua con sus soportes se puede obtener hallando las fuerzas paralelas a la linea de intersec-cin de las discontinuidades. Su clculo puede hacerse por mtodos grficos o analticos, pudiendose acortar si se hacen alguna~_ simplificac1ones. En este capftulo no se describir4 este clculo por su complejidad, ya que esto ha sido axpuesto en el capitulo 12.

En el caso de haber una capa de gunita armada 0 sin armar sobre el afloramiento de las discontinuidades para que se produzca la falla, la gunita deber romperse ~ lo largo de ellas, por lo que deber tenerse en cuenta su resistencia al corte.

18-26 UCV - Eecuela de O.ologia, Minas y O.of'isic:a

1 .. f

---=---------


c) Falla de varios bloques

Analizaremos ahora el caso de una falla plana bidimensional, en el caso de que existan dos superficies de deslizamiento, creandose dos bloques deslizantes.

El clculo de la fuerza de anclaje necesaria se puede simpli-ficar si suponemos que a direccin e" entre los bloques actua paralelamente a la superficie de deslizamiento del bloque in-ferior y que la resistencia tangencial sobre el bloque supe-rior es la mxima posible, igual a la de corte.

Figura 18.20.- ~otura en blQQues. Clculo de la fuerza de anclaje requerida

Para el bloque superior 1 tendremos:

E = W1 sin a - s1 eos Cr-a> + N1 .sin (r-a)

W1 cos a = s 1 sin (r-a) + N1 cos (r-a)

S1 = C1 + CN1 - U1} tg ~1 Conociendo el peso w1, la presin del agua u1 , la geometria del bloque, la cohesin ~ y el ngulo de friccin interna ~, de las dos ltimas ecuacionee se obtendr s1 y N1 con las que calcularemos el valor de E de la primera.

Para el bloque inferior 2, obtendremos:

S2 = E + W2 sin a - T cos (a - a) N2 = W2 cos a + T sin (a + a) s2 es la fuerza tangencial que provoca el deslizamiento a la cual se opone la resistencia al corte R

18-27 . ~ ....,, . M1-t,., ,qnt. y Geof'fetca

,.

g) Falla por volcamiento

Cuando existen bloques grandes de gran altura con respecto a su base, con posible volcamiento, pueden ser estabilizados por medio de bulones o anclajes activos o pasivos. El clculo de la fuerza necesaria para el anclaje se ha indicado en el captulo 13.

Si se trata de bloques peque~os o lajosos, este clculo es prcticamente imposible, pudiendo estabilizarse por bulones o anclajes largos suj~tos a muros o vigas.

18-30 .ucv - Eecuela de Geol09ia. Minas y Geof'1s1ca

v. .. ......,.:;:-. ': .

)

\

19. PRESION DE AGUA SUBTERRANEA EN LOS TALUDES

19.1.- Introduccin

19.2.- Caracteristicas del agua subte1Tnea

19.3.- Flujo de agua en los macizos rocosos

19A.- Investigacin de las condiciones de agua subte-1Tnea

19.S.- Influencia del agua en la estabilidad de taludes

19.6.- Clculo del efecto del agua subterrnea

Presin del agua subterrnea en los taludes

19.- Presin del agua subterrnea en los taludes

19.01.- Introduccin

El agua subterrnea ~iene una gran influencia en la estabili-dad de taludes, ya que su presin puede reducir la resistencia al corte de las discontinuidades del macizo rocoso. Tambin el agua subterrnea puede incrementar las fuerzas que tienden a provocar la inestabilidad, actuando sobre las grietas o discontinuidades casi verticales. Otros efectos del agua considerados aquf, pueden ser:

a) el de cu~a entre dos bloques cuando se congela el agua, debido a su aumento de volumen;

b) la reduccin de la permeabilidad de la superficie del talud al congelarse el agua, lo que puede dificultar el drenaje y hacer aumentar las presiones;

' c) el aumento de la alteracin y erosin, tanto en las zonas superficiales como en los rellenos de las discontinuidades;

d) la disminucin de la resiate.ncia a compresin de la roca, sobre todo en los micaesquistos, esquistos, etc;

e) la disminucin a la resistencia al corte del posible relleno arcilloso de las discontinuidades o en la propia roca si tiene minerales micceos o arcillosos.

Por ello el proyecto de un talud deber incluir siempre el estudio sobre la influencia del agua subte~rnea, explicndose a continuacin los mtodos ms usuales para evaluar las primeras influencias descritas.

19.02.- Caracterfaticas del agua subterrnea

El agua subterrnea es la que se encuentra en la zona de saturacin bajo en nivel fretico. Entre este nivel y la superfi-cie hay un zona no saturada a travs de la cual se infiltra o est retenida junto a la zona saturada por capilaridad. Tambin puede haber zonas saturadas por encima de la principal limitadas

.por niveles impermeables,denominndose a su limite superior como el nivel fretico colgado o emperchado.

19-1 ucv - e-1a cte oeo1094a, Mina y oeotietca

p h =

r + z ' siendo r la densidad del agua.

En los suelos, la permeabilidad depende del tamaffo de los gra-nos, de su grado de compactacin y de su graduacin. El efecto de la compactacin es menos importante en las gravas, sobre todo en las de granulometria uniforme. En las arenas, la permeabilidad puede variar, de 1 a 20 dependiendo de su compacidad. El porcen-taje de la fraccin fina es muy importante, pudiendo hacer va-riar considerablemente.la permeabilidad.

Hay varias frmulas para determinar la permeabilidad a partir de la curva granulomtrica y en algunos casos tambin la porosi-dad. Se suele utilizar para ello el dimetro de la partcula equivalente "d0 " que da la misma permeabi 1 idad que la mezcla de diferentes tamaos, igualndose generalmente al valor de d10 de la curva granulomtrica, esto es, al tamaffo de la malla que ~eja pasar el .10~

. La frmula de Hazen en su :arma mas general es K0 = e * de2 , siendo e una constante que si se toma de o d10 en cm. y K en cm/seg, suele tomarse alrede~or de 100 (90 a 120). Si se toma C = 100 y d 10 en mm., Ko. = d 10 6 resultando K en cm/seg. Algunos autores usan c = ( 2.22 * m ) , siendo m la porosidad. '

.otras frmulas que utilizan el -dimetr~ equivalente y la po-rosidad son las de Sl icchter K0 = c * d10 * m", donde n es una constante de valor aproximado 3,3 y la de Terzaghi, Kozeny, etc.

La permeabilidad de las rocas intactas, sto es sin considerar las discontinuidades, suele $er muy baja. La mayor permeabilidad intergranular suele corresponder a laa areniscas porosas y a las dolomias secundarias. Estas ltimas, a consecuencia del cambio de molculas de calcio por las de magnesio sufren una reduccin de volumen que causa su porosidad y permeabilidad.

La permeabilidad del macizo rocoso suele ser bastante superior a la de la roca intacta, debido a que el flujo se produce princi-palmente a lo largo de las diclaaaa, planos de estratificacin o esquistosidad, fallas, zonas de brecha, fisuras, canales de disolucin y otras discontinuidades. Como stas, principalmente los planos de estratificacin y sistemas principales de diacla-sas, suelen tener orientaciones definidas, la permeabilidad del macizo suele ser anisotrpica, es dec1r, variable con la direccin.

Estas discontinuidades formarn una serie de caminos mejor o comunicadas Y con pos i b 1 es re 11 enoa are i 11 osos impermeables, y podrn ser mas o menos continuos y abi ertoa, por 1 aa que se efectuar4_e1 flujo de agua. Como no es posible expresar la per-

meabi 1 idad de cada conducto o discontinuidad, se utiliza la per-

19-4 UCV - Eecwla de a.o1091a, Minas y Geof1aica

.--


meabilidad equivalente del conjunto del macizo rocoso en una cierta direccin.

La permeabilidad equivalente de una serie de discontinuidades paralelas y de bordes rugosos viene dado por:

donde

K = N * e3 *

12

N es el nmero de discontinuidades por centimetro; e es la abertura de las discontinuidades; es la viscosidad; r es la densidad del agua.

En la figura 19.03, se indica la permeabilidad equivalente de una serie de discontinuidades paralelas con diferentes aberturas. Como se puede observar, lapermeabilidad depende en gran manera de la abertura de las discontinuidades, la cual suele ser funcin de las tensiones existentes en el macizo.

101

101

e .f~ I~ Mln

~ 10-1

101 10-1 10-2 10-:s 10-' 10-0 10

k '"'''"

Figura 19.03.- Permeabilidad equivalente de discontinuidades paralelas

De acuerdo con las caracterfsticas de permeabilidad, se llaman acuiferos a los suelos o macizos rocosos que tienen una permeabi-1 idad muy baja y acuitardos a los intermedios. En-la tabla adjun-ta figuran diversas permeabilidades para suelos, rocas y macizos rocosos, con su definicin de acuerdo con su permeabilidad.

19-5 ucv - Eecuela de oeo1091a, Mina y Geof11ca

;.

::


La alteracin y descompresin de los macizos gran manera a sus condiciones de permeabilidad, general, desde un mnimo en el fondo del valle, las laderas.

TABLA 19.01

Unidades ROCA PenMab11idad LUGEOH INTACTA ROCA FRACTURADA

K - al/Mg Aprox.

10-10 PIZARRA

10 - IMPERMEABLE

ACUICLUDO GRANITO 10 -a

10 - 7

CD

.. AO A POCO 10 -IS L L R PERMEABLE I O E ACUITARDO Z M N ROCA CON JUNTAS

10 -!5 1L A I I COH RELLENOS A s ARCILLOSOS

ALGO

1 e

PERMEABLE 10 - 4 10L A ACUIFERO POBRE ROCA ALGO

10 - 3 -FRACTURADA

PERMEABLE 10 - 2

ACUIFERO REGULAR A ROCA BASTANTE BUENO 10 - 1 -

FRACTURADA

1

MUY ROCA INTENSAMENTE PEMtEABLE 10 1 -llCUZFERO l'RACTURADA EXVELENTE

10 2

19-6 UCV - E8CUela de Geologf a, Minas y Geoff a1ca

] ___ ---

rocosos afecta de y suele crecer en hacia lo alto de

SUELOS

- ARCILLAS

ARENAS ARCILLOSAS, 1- LIMOS

ARENA LIMOSA

ARENA FINA

- ARENAS LIMPIAS

ARENAS GRUESAS LIMPIAS, GRAVAS CON ARENAS LIMPIAS

- GRAVAS LUPIAS

" ..


Los esquistos, micaesquistos y gneises, tambin suelen tener una anisotropia elevada, con una mayor permeabilidad en el senti-do de la esquistosidad, siendo muy baja en profundidad y mayor en superficie, sobre todo en la parte alta de las laderas. En muchos casos sin embargo, la mayor permeabilidad en el sentido de la esquistosidad pasa a serlo en profundidad en el sentido del sis-tema principal de diaclasas, el cual casi siempre est muy bien definido en estas rocas.

Las pizarras, arcillas o argilitas pizarrozas, margas pizarro-sas, etc., tienen permeabilidades muy bajas y anisotropfa muy marcada, pero stas pueden ser mayores en la parte alta de las laderas.

En rocas igneas intrusivas, suelen ser bastante impermeables en profundidad, excepto en las zonas de falla, pero su alteracin y descompresin puede ser importante en lo alto de las laderas, y por lo tanto tambin su permeabilidad.

En calizas, dolomias y yesos pueden tener conductos de disolucin o cavernas y tener por lo tanto permeabi 1 idades muy elevadas, aunque en otras zonas pueden ser mas impermeables. Las dolomias pueden tener una perrneabil 1dad intergranular o por una brechificacin intensa si son secundarias, sto es, procedentes de calizas. La posibilidad de conductos de disolucin suele ser mayor cerca de la superficie.

Las areniscas pueden tener permeabilidad intergranular adems de la fracturacin, aunque la primera en general no es muy alta.

Las alternancias de rocas mas o menos duras y permeables tie-nen una anisotropia muy fuerte en relacin con la estratifica-cin, con una permeabi 1 idad mucho mayor a travs de los bancos mas duros, los cuales frecuentemente estn mas fracturados. Las alternancias de bancos muy finos tipo flysch, son en general muy impermeables en profundidad.

La presencia de fallas, diques, zonas de brecha junto a las fallas, etc. tienen gran influencia en el flujo de agua en los macizos rocosos. Las fallas con rellenos arcillosos y las vetas o filones, muchas veces con bandas arcillosas, pueden ser bastante impermeables, pero las fallas sin rellenos y con fracturacin intensa en sus bordes, pueden ser en cambio caminos mas fciles de paso de agua.

La disposicin de las zonas o materiales mas o menos permea-bles tienen gran influencia en la forma del flujo en la ladera. Si las zonas mas permeables estn situadas en lo alto de la lade-ra, lo cual suele ser frecuente en muchos macizos debido a la mayor alteracin y descompresin, o al recubrimiento de suelos, la infiltracin de agua en la ladera ser mayor, pero si por el contrario estn en el pie, la descarga o drenaje ser mayor.

19-7 UCV - E8CUela de Geologfa, Minae y Oeof'f aica

- --- ----- ---------- ------~. ____ J ___ -Presin del agua subterrnea en los taludes

Las zonas mas impermeables en lo alto de la ladera pueden f reducir la infiltracin, pero, si est cerca de la superficie de la ladera en su parte baja, pueden difi~ultar el drenaje y causar aumentos de presin.

La direccin de la estratificacin, presencia de fallas con o sin rellenos, las zonas fracturadas, alteradas o descomprimidas, los conductos de disolucin, la mayor o menor permeabi 1 idad de los diferentes niveles, etc. gobiernan la direccin y magnitud del flujo del agua en el macizo, por lo que su conocimiento es necesario para poder.comprender el comportamiento del agua subterrnea.

19.03.01.- Redes de flujo

La representacin grfica del flujo de agua subterrnea y de la distribucin de las presiones en el terreno se hace por medio de redes de flujo o de filtracin.

Las redes de flujo permiten conocer la influencia del agua en los taludes al poder calcular las presiones, siendo tambin tiles para el proyecto de los. drenajes y sistemas de

.desagOe,pudiendo evaluar a partir de ellas los caudales de filtracin y 1os gradientes hidrulicos.

/, Vz dz ~z

Figura 19.04.- Flujo a trav's de un elemento bidimensional

19-8 ucv - E9Cuela de Oeol091a .. Mina y Geofiaica

/


,:::-,:,,. E 1 f 1 ujo tota 1 a travs de un elemento de dos di me ns iones, como el indicado en la figura 19.04, ser la suma de las compo-nentes de flujo segn x y z. El flujo entrante segn las direc-ciones ser Qe = Vz dz + Vx dz y el saliente

= ( Vz + dz ) dx + ( Vx + dx ) dz

siendo

Vx y Vz las velocidades del flujo en ambas direcciones.

Si el volumen de agua es constante el flujo entrante ser igual al saliente, por lo que igualando

dz dx + dx dz = O y 6z 6x

l!JVz l!JVX o ----- + ----- =

6z 6x

Segn la ley de Da rey tenemos:

l!Jh l!Jh vx = Kx y Vz = Kz

l!Jx ~z

siendo Kx y Kz los coeficientes de permeabilidad en las dos direcciones (considerndolas constantes) y h la carga hidrulica. Sustituyendo en la ecuacin anterior:

Kx ----- + Kz = o

En terrenos istropos Kx = Kz quedando 6 2h 6 2h

----- + -----6x 2 6z2

= o

familias .de curvas (de flujo y equipotenciales) que se cortan normalmente. Si hubiramGa considerado flujo segn el eje y y el terreno istropo y con permeabilidad constante:

----- + ----- + -----6 y2 6z2

= o

19-9 UCV - E8CUela de Geologia, Mina. y Geofi1ca

----- ~-- ------

--~---- ------ -- j

Presin del agua subterrn~~ en l~s taludes

En terrenos anistropos Kx f. Kz y podra escribirse:

Kx 62h 62h ---- * ----- + ----- = o Kz 6x2 6z2

o bien

62h 62h ------ + ----- = o

6x2 l5z2 e

Kz Kx en donde Xe = X . o X = Xe .

Kx Kz

Esta ecuacin es tambin la ecuacin de Laplace, con una per-meabilidad efectiva K8 = . Kx * Kz, por lo que tambin las lineas de flujo y equipotenciales sern ortogonales, pero habr que cambiar las esci}l_.as seg(m la relacin .(Kx7kz, -no quedando ya ortogonales al volver a su dimensin verdadera.

Para poderse aplicar estas ecuaciones, es necesario suponer que el terreno es homogneo, que los poros o huecos estn comple-tamente llenos de agua, que el agua y el terreno son incompresi-bles, que el terreno no se consolida o expande y que el rlujo es laminar y se puede utilizar la ley de Oarcy.

El flujo de agua a travs de terrenos con permeabilidades difer-entes se produce en forma parecida a la de los rayos de luz cuando atraviesan materiales con diferentes velocidades de propa-gacin. Las lineas de flujo sedoblan en los contactos entre terrenos siguiendo la ley del minimo esfuerzo y el agua fluye la mayor distancia posible en el terreno de mayor permeabilidad y la menor distancia en el menos permeable. Los ngulos de entrada (a) y de salida (B) en el limite de dos terrenos de permeabili-dades diferentes siguen la relacin::

tg 13 K1 ------ = tg a K2

siendo K1 el coeficiente de permeabi 1 idad del primer terreno y K2 ' el del segundo.

Si ambos terrenos son i stropos, 1 os cuadrados de 1 a . red de flujo del terreno de entrada paaar4n a rect4ngulos en el de sali-da, cuyos lados by e guardar4nla relacin

=

19-10 UCV - Eecuela de Oeologia, Mina y Geofiaica

/.~: -~:~:.:

-


Figura 19.05.- Refraccin de lineas de flujo en el limite de dos terrenos de permeabilidad diferente

La presin se Incrementa con la profund-idad-a lo largo de-u"---~~!Potenclal

- ... Pizmetros -:

Llne-as Equipc)tenclales -- - - - ---- ----- . --- -- - __ J

Figura 19.06.- Red de flujo bidimensional

Nivel Fre-~~co

p ~y _(h-z):

Linea de referencia

A partir de las redes de flujo se pueden calcularse los cau-dales de filtracin. En terrenos istropos, el caudal que fluir entre las lineas de corriente adyacentes sera ~Q, siendo la misma a lo largo de todos los canales, siendo el total .Q =e JJ..Q = N-r * lJ..Q en donde Nf e_s el nmero de canales de flujo. Si la prdida de carga entre dos 1 i neas equ i potencial es es JJ..h, 1 a diferencia de carga entre dos puntos separados por Ne lineas equipotenciales ~_er h = Ah *

- ------------

Presin del agua subterrne en los, taludes . . .

1 Relacin de permeabilidad

1+ 1

a) Macizo lsotrpico

--Relacin de permeabilidad

io -+-1

b) Macizo Anlsotrplco. EstratlfiQacJn Horizontal

. Relacin de permeabilidad : - - --- . - - -- -------- . .A"----ir----r----i

10,;r;

. e) Macizo Anlsotrplco. Estratificacin verUcal.

'

Figura 19.07.- Lineas equ1potenciales con diferentes cond1c1ones de - an1sotropf ~ (segGn Hoek y Bray)

19-12 UCV - E8CUela de Geologfa, Mina y Geof'fa1ca '

.D,,.Q = K * h *

y sustituyendo

---- =

Nf

Ne


K * ------ * a = K * .llh a

Si el terreno es anistropo, se tomar la permeabilidad efec-tiva Ke = ~ Kx * Kz. Estas permeabilidades Kx y Kz pueden ser por ejemplo las permeabilidades horizontal y vertical KH y Kv o la mxima y minima Kmax Y Kmin

En las redes de flujo, las lineas de corriente o flujo son los caminos que sigue el agua y .las lineas equipote.nciales son las que unen puntos con igual carga hidrulica total

p h - + z

r Las presiones de agua a lo largo de una equipotencial no sern

iguales, aumentando con la profundidad, ya que al disminuir z ~ aumentar P/. En los piezmetros situados a lo largo'de una ~ misma 1 inea equipotencial, los niveles de agua serian iguales. El

valor de cada equipotencial vendr dado por su altura sobre.el plano de referencia cuando P/f es nulo, esto es, en su inter-seccin con el nivel fretico.

Las presiones a lo largo de una superficie se calculan viendo sus intersecciones con las lineas equipotenciales. Como se cono-cen los valores de dichas 1 ineas, se .calculan _los valores de las presiones en cada punto por p = r (h ~~)~conociendo la superfi-cie se pueden hallar las fuerzas actuantes. El gradiente hidru-lico i se puede determinar colo la relacin

~1

el la cual ,llh se puede calcular y ,lll medir.

La forma de las lineas de flujo y de la distribucin de las presiones dependen de laa condiciones geomtricas, de las permea-bilidades del terreno que pueden variar en zonas y seg~n direc-ciones, de 1 as condiciones de recarga de 1 macizo adyacente y a travs de la superficie, de la pluviometria y de la capacidad de almacenamiento de agua en el macizo .

19-13 :ucv .. Eacue1a d Geol09fa, M1naa y Geofiaica

P.resin del agua ,auhterrba tm 'lbs -ta1udes

t., ,,, - ~1 ,o,,-'-?. <

'

'

Figura 19.08.- (a) .C61culo de las presiones con la red de flujo sobre la superficie ABC.

(b) Presiones que hubieran resultado no teniendo en cuenta esta red, esto es, suponiendo equ1potenc1ales vertica-les.

En los terrenos homogneos e istropos la red de flujo- tendr lineas de flujo y equipotenciales ortogonales y depender solo de las. condiciones geomtricas y de flujos de sus limites, siendo independiente del valor de la permeabilidad.

En terrenos anistropos y heterogneos, las variaciones de la permeabilidad tendrn gran influencia. en la distribuci~ de pre-siones. En este caso no sern normales las lineas de la red de flujo.

Solo en el caso de flujo prcticamente horizontal en materia-les istropos y bajo superficies planas, las lineas equipoten-ciales sern prcticamente verticales. En este caso la medida del nivel fretico en sondeos, siempre que la permeabilidad sea sufi-cientemente grande para que el agujero no haga descender ese nivel o por el contrario, el agua de perforacin lo haga subir, puede dar suficiente informacin como para determinar la distri-bucin del flujo y de las presiones.

En los dems casos. ato ea, con materiales anistropos o heterogneos y con superficies no hor-izontales, que son la inmen-sa mayorfa, la distribucin de presiones dentro del macizo, debe ser medida por piezmetros o por medio de tcnicas analfticas a partir de los datos de permeabilidad, geolgicos, etc., obtenidos en reconocimientos.

19-14 UCV - Escuela de Geologfa, Minaa y Geof'fa1ca


Figura 19.09.- Mina Nanbran (Canad). Lfneas equipatenciales.

Los sondeos en 1os fondos de los valles en donde las laderas alimentan de agua al rio, irn cortando con la profundidad lineas equipotenciales de mayor valor, por lo que el nivel de agua en el sondeo ir subiendo. Este nivel depender de muchos factores, tales como la profundidad de entubacin , si hay o no a lo largo del espacio anular,: de 'la -influencia del agujero y si est sir-viendo de dren o -de aporte de agua, etc.

Los sondeos en lo alto de la ladera o en el fondo del valle en donde sea el rio el que alimente a las laderas, al ir profundi-zando el sondeo e ir poniendo las entubaciones, el nivel del agua en el sondeo ir descendiendo. Esto se puede comprender imaginan-do un sondeo que se fuera profundizando en las figuras 19.06 y 19.07, pero no asf en la figura 19.07c, que es un caso tipico de estratificacin alternante paralela a la ladera. En este caso en un sondeo en la ladera iria subiendo el nivel de agua al irse profundizando.

Al estimar la situacin del nivel fretico en las laderas, se suele cometer frecuentemente el error de situarlo de forma que no corte el talud si en superficie no se observan afluencias o hume-dades. Sin embargo, enmuchos casos ello puede ser debido a que la .evaporacin es mayor c:iue la filtracin, apareciendo seca la su-perficie aunque pueda haber presiones importantes cerea de ella.

19-15 ucV - E8CUela de Geologfa, Mina y ~feica

:-:

-~

Presin del asua. SijbterrmHLell .}os taludes

19.03.02.- Construccin de las redes de flujo

La construccin de una red de flujo se puede hacer por medios grficos, elctricos o con un computador.

Para construir estas redes se usan todos los datos existentes, tales como las presiones en varios puntos representativos obteni-das con piezmetros, la situacin del nivel fretico, las distin-tas permeabi 1 idades, 1 a disposicin geolgica, etc. Si a 1 gunas condiciones cambian con el tiempo, lo cual puede suceder facil-mente al aumentar o disminuir fuertemente la pluviometria, con el progreso de la excavacin, etc., se debern asumir hiptesis extremas.

Mtodo grfico: En terrenos homogneos y anistropos las lineas de corriente y equipotenciales debern ser normales, formando una malla de "cuadrados" curvil ineos, aunque cerca de puntos singulares, estos "cuadrados" pueden ser muy de-formes y de 3 o 5 lados.

Para dibujar la red se debe comenzar definiendo los limites del dominio de flujo, tales como una posible base impermea-ble, el nivel fretico, los limites de rea de estudio, etc. La posicin del nivel fretico tiene gran importancia y de-ber estimarse de acuerdo con . las observaciones en ,piezme-tros, pozos o sondeos, y por las humedades o afluencias de agua en la superficie del talud, aunque esto ltimo, como ya hemos indicado anteriormente puede conducir a errores impor-tantes si la evaporacin es mayor que la filtracin.

Se suele comenzar por dibujar las lineas de corriente, 3.a 5 generalmente, con separaciones iguales en el limite de la parte superior del talud y que van convergiendo hacia la parte baja del talud y saliendo normalmente a su superficie. La separacin de las lineas se ir reduciendo, siendo menor cuanto mayor curvatura tengan.

Las lineas equipotenciales se dibujan luego comenzando desde la parte de arriba. Primero se divide la superficie fretica en alturas iguales de tal forma que esta- divisin origine una distancia entre las dos primeras lineas equipotenciales igual a la existente entre las de corriente. Una vez hecha esta di vi a i n , 1 as sigui entes 1 f neas equ i potencia 1 es se comienza desde la interseccin del nivel fretico con esas divisiones.

Para comprobar la validez de la red asi construida, se pued-en trazar las lineas diagonales a los cuadrados, debiendo formar una nueva red ortogonal.

En medios anistropos, antes de dibujar la red se deber modific~r la escala seg(ln una direccin en la cantidad

19-16 ucv - Eecuela de Geologia, Mina y Geo1'11ca -


.f ( Kx/Kz). Por ejemp 1 o, si 1 a permeabi 1 i dad hori zonta 1 sea mayor que la vertical, el dibujo deber ser comprimido en el sentido horizontal o e.xagerado en vertical segn la relacin .f (Kv/Kh) debiendo luego volver todo a la escala natural, no quedando ya una red ortogonal.

En los terrenos anistropos, las lineas se doblarn en los contactos de terrenos de di fe rente permeabilidad segn 1 a relacin que ya se expuso, variando .las dimensiones de los cuadrados o rectngulos curvilneos.

Mtodos elctricos: Estos mtodos se basan en la ana 1 og i a entre la ley de Darcy y la ley de Ohm, asemejando el caudal unitario con la intensidad, el gradiente hidrulico con la diferencia de potencial y la permeabilidad con la inversa de la resistencia o conductancia.

Para hallar las redes de flujo se utiliza bien un papel conductor, bien cuadrados de lineas de tinta conductora o bien.resistencias entre numerosos puntos.

En el caso de papel conductor, las redes en medios anistropos se pueden hallar a base de cambio de una escala de papel de forma similar al mtodo grfico. '

Usando tinta conductora, se pueden simular la anisotropia y heterogeneidad a base de mayores espesores de lineas, de cuadrados o rectngulos de dimensiones variables, orientando la malla en direccin de la mayor o menor permeabilidad, etc. De forma parecida se pueden variar los valores de las resistencias en el caso de usarse stas.

~---t't~ ._ __ --t 11------l--

1 --'-

Figura 19.10.- Trazado de equ1potenc1ales con papel o tintas conductoras

- - ------- --- -- -- ---

19-17 VOV -Escue1a 11eaec;'lttgfa, M1riaa y Geof'1e1ca

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Presin del agua subterrn&a ein- 1ot taludes

Los lmites de agua arriba y abajo y los posibles drenajes, galeras drenantes, etc., son simulados por medio de tiras metlicas. Entre los dos lmites se establece una diferencia de potencial y con electrodo conectado a un voltmetro (figura 19.10) se va recorriendo el papel resistivo o con tinta conductora, pudiendo dibujar las lneas de igual diferencia de potencial que equivalen a las equipotenciales.

Mtodo Por computador: Estos mtodos son muy apropiados en casos de estructuras geolgicas complejas y variables en el tiempo, usndose p r i ne i pa 1 mente 1 os mtodos por e 1 ementos finitos y por diferencias finitas.

19.04.- Investigacin de las condiciones de agua subterrnea

La importancia de la investigacin de las condiciones de agua subterrnea en los taludes deber ser acorde con la del proyecto, complejidad geolgica, riesgos, etc.

Lo mas importante es conocer la distribucin de las presiones de agua en el talud lo cual sepuede hacer por:

a) Medida directa por piezmetros

b) Clculo por medio de redes de flujo, cuyo conocimiento nece-sita el detalle de las caractersticas geolgicas y de per-meabilidad.

Lo primero es caro y .muy difici 1 salvo en condiciones geol-gicas muy sencillas, necesitando un gran nmero de piezmetros. Lo segundo es muy poco preciso, sobre todo en casos geolgicos complejos, por lo que es mejor una combinacin de ambos medios, midiendo las presiones en sitios representativos y usndolas para la construccin de redes basadas en un profundo conocimiento de las distintas permeabilidades, con sus cambios por zonas o direc-ciones y de las condiciones geolgicas, por lo que el conocimien-to de stas es tambin necesario.

La permea

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