ANALISIS CINEMATICO DE TALUD ROCOSO PARA AMPLIACION DE VIA K21+200 ENTRE YOPAL – LABRANZAGRANDE.
CAMILO ANDRES GARCIA DIAZ 201313899 NELSON ORLANDO RODRIGUEZ GAFARO 201313896
Trabajo de aplicación para obtar el título de ESPECIALISTA EN GEOTECNIA VIAL.
UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA. ESCUELA DE POSGRADOS. ESPECIALIZACION EN GEOTECNIA VIAL. 2013
TABLA DE CONTENIDO 1.
DESCRIPCION Y FORMULACION DEL PROBLEMA. ....................................................................... 4
2.
JUSTIFICACION............................................................................................................................. 5
3.
OBJETIVOS. .................................................................................................................................. 6 3.1.
GENERAL.............................................................................................................................. 6
3.2.
ESPECIFICOS. ....................................................................................................................... 6
4.
LIMITACIONES. ............................................................................................................................ 7
5.
MARCO DE REFERENCIA. ............................................................................................................. 8 5.1.
UBICACIÓN. ......................................................................................................................... 8
5.2.
CLIMA. ................................................................................................................................. 8
5.2.1.
6.
5.3.
HIDROGRAFIA. ..................................................................................................................... 8
5.4.
GEOLOGIA. .......................................................................................................................... 9
5.5.
TECTONICA. ....................................................................................................................... 10
MARCO TEORICO. ...................................................................................................................... 11 6.1.
PRINCIPIOS DE INGENIERIA DE TALUDES ROCOSOS. ........................................................ 11
6.2.
ANALISIS DE ESTABILIDAD EN ROCA. ................................................................................ 12
6.3.
FALLA PLANA. .................................................................................................................... 13
6.3.1.
Condiciones Generales de la Falla Plana. .................................................................. 13
6.3.2.
Análisis Cinemático de la Falla Plana......................................................................... 14
6.4.
FALLA EN CUÑA. ................................................................................................................ 15
6.4.1. 6.5. 7.
8.
Precipitación. ............................................................................................................... 8
Condiciones Generales de la Falla en Cuña. .............................................................. 15
FALLA POR VOLCAMIENTO. ............................................................................................... 18
METODOLOGIA.......................................................................................................................... 20 7.1.
RECONOCIMIENTO DE CAMPO. ........................................................................................ 20
7.2.
LEVANTAMIENTO DE DISCONTINUIDADES Y ESTRATIGRAFIA. ......................................... 20
7.3.
RECOPILACIONDE INFORMACION. .................................................................................... 20
7.4.
ANALISIS DE DATOS. .......................................................................................................... 21
7.5.
ANALISIS CINEMATICO. ..................................................................................................... 21
7.6.
MEDIDAS DE ESTABILIZACION. .......................................................................................... 21
ANALISIS CINEMATICO DEL TALUD ROCOSO. ........................................................................... 22 2
8.1.
DATOS GEOLOGICOS. ........................................................................................................ 22
8.2.
REPRESENTACION ESTEREOGRAFICA. ............................................................................... 22
8.3.
PROPIEDADES GEOMECANICAS. ....................................................................................... 24
8.4.
ANALISIS DE FALLA. ........................................................................................................... 25
8.4.1.
Falla Plana.................................................................................................................. 25
8.4.2.
Falla en Cuña. ............................................................................................................ 25
8.4.3.
Falla por Volcamiento. .............................................................................................. 26
8.5. 9.
DISEÑO DEL TALUD. .......................................................................................................... 27
MEDIDAS DE ESTABILIZACION. .................................................................................................. 28 9.1.
REMOCION DEL MATERIAL................................................................................................ 28
9.2.
CORTE DEL TALUD. ............................................................................................................ 28
9.3.
ESTABILIZACION POR REFUERZO....................................................................................... 29
9.4.
PROTECCION CONTRA CAIDA DE ROCAS. ......................................................................... 29
10.
CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 30
3
1. DESCRIPCION Y FORMULACION DEL PROBLEMA. La vía Yopal – Labranza grande comprende aproximadamente K 21+200, representa la vía alterna entre estos dos departamentos, el tramo Yopal – El morro comprende una vía pavimentada y destapada el tramo final, la vía comprende un ancho máximo en este último tramo es de 6m y su parte más angosta hasta 3.5m lo cual representa un límite en el trazado vial, la gran parte del perfil vial está representado por corte en ladera y los puntos críticos de ancho vial está comprendido por el corte en talud rocoso.
Los taludes rocosos presentes en el tramo de vía están presentando fallas y genera obstaculización de ciertos puntos, lo cual reduce el ancho de vía aún más, representando así una limitación de la vía restringiendo cierto tipo de vehículos.
La presencia de agua en estas zonas representa un factor importante en la estabilidad de taludes y que en estas zonas montañosas es considerable. El problema al cual está enfocado este proyecto es a la estabilización geotécnica de taludes rocosos mediante cortes para ampliación de la vía en puntos críticos de esta zona.
Si bien es cierto la inversión de diseño geométrico y estabilización de taludes en la malla vial de Sogamoso – Aguazul, es notable la presencia de algunos problemas geotécnicos que persisten en la zona.
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2. JUSTIFICACION. El corredor vial entre Boyacá y Casanare representa un desarrollo importante en la economía de los dos departamentos, actualmente la vía principal corresponde Sogamoso – Pajarito – Aguazul, la cual tiene cierta problemática de estabilidad, esto reclama una vía secundaria entre los departamentos que pueda suplir las necesidades económicas de transporte.
El corte en ladera de taludes rocosos genera una ampliación al diseño geométrico y estabilización cinemática para los diferentes tipos de falla o estabilización con medidas permiten garantizar el estado de la vía impidiendo la obstaculización por caída de rocas.
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3. OBJETIVOS. 3.1.
GENERAL.
Obtener un análisis cinemático al talud rocoso en el K 21+200 de la vía Yopal – Labranza Grande, para determinar un talud apropiado de corte.
3.2.
ESPECIFICOS. Realizar un levantamiento de diaclasas, discontinuidades y estratificación del talud existe, como también del alineamiento de la vía. Determinar el número de familias de diaclasas o discontinuidades que actúan dentro del análisis. Determinar los factores de seguridad de las diferentes fallas que puede estar expuesto el talud. Utilización del software ROCSCIENCE DIPS, como herramienta en el análisis cinemático.
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4. LIMITACIONES. Para la realización del análisis cinemático del talud rocoso en la via Yopal – Labranza Grande se utiliza información primaria como los levantamientos de discontinuidades y diaclasas, y secundaria como geología, hidrología y topografía de instituciones como INGEOMINAS, IDEAM Y IGAC.
Información obtenida del departamento y del municipio que ayuda a establecer antecedentes del problema a estudiar. La caracterización geo mecánica se establece por correlaciones o información secundaria de la zona de estudio.
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5. MARCO DE REFERENCIA. 5.1.
UBICACIÓN.
El talud de estudio tiene unas coordenadas 5°29'0.70"N 72°29'42.70"O.Corresponde al departamento de Boyacá y municipio de Labranza Grande.
5.2.
CLIMA.
La zona de estudio cuenta con una bio-temperatura anual de 20º C. El relieve de este municipio es tan intrincado que allí se encuentran cotas desde los 600 m.s.n.m. hasta los 3500 m.s.n.m.
5.2.1. Precipitación. En la siguiente grafica se observa la fluctuación de la pluviosidad para las estaciones, se realizó el cálculo de la precipitación media ponderada para el Municipio de Labranzagrande.
Grafica 5.1 fluctuación de la pluviosidad para las estaciones.
5.3.
HIDROGRAFIA.
La red hidrográfica del municipio de Labranzagrande y el sitio del talud, está comprendida principalmente por la cuenca del Río Cravo Sur. La cuenca del Río Cravo Sur se ha caracterizado por tener una de las dinámicas geomorfológicas más activas de los sistemas aluviales del Piedemonte Llanero en los últimos años, lo cual es evidente en los diferentes periodos de recurrencia de movimientos en masa a gran escala que han afectado considerablemente las poblaciones de Labranzagrande y Yopal.
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5.4.
GEOLOGIA.
La cartografía geológica del Municipio de Labranzagrande es de gran interés ya que con ella se tiene una visión global de la estructura y constituyentes mineralógicos del subsuelo. Dicha cartografía es de vital importancia para interpretar que procesos geológicos actuaron en el pasado y su incidencia en el presente con el objeto de evaluar las diferentes amenazas de tipo geológico, lo cual permite la localización, proyección y planeamiento de las diferentes actividades e inversiones a realizarse en el municipio.
El Municipio de Labranzagrande, se encuentra localizado dentro de la clasificación hecha por Toussaint y Restrepo (1987 – 1989) en el terreno chibcha, el cual se unió al bloque autóctono de Colombia a finales del Paleozoico por medio de la paleo falla de rumbo de Guaicaramo. El nuevo conjunto dio origen al Oriente Colombiano.
Geológicamente el área de estudio se encuentre en el grupo caqueza y en la formación areniscas de las juntas (kialj), Conforman un escarpe bien marcado, distinguible en las fotografías aéreas, donde es posible trazar contactos muy precisos aun en los casos de tupida cubierta vegetal sobre el área. Formado probablemente en un 80% de arenitas y un 20% de lutitas que se manifiestan por dar forma localmente escalonada a los escarpes. Se le ha calculado un espesor de 1100m1.
Ubicación Geológica2.
1 2
ALCALDIA DE YOPAL, DEPARTAMENTO DE CASANARE. POT Plan de Ordenamiento Territorial. 2013. INGEOMINAS. Plancha 193 – Yopal. 1992.
9
5.5.
TECTONICA.
El Municipio de Labranzagrande ha sido sometido a una intensa actividad tectónica, la cual originó principalmente estructuras de plegamiento tipo anticlinal, sinclinal y fallamientos, plegamiento ligado a la orogenia andina e influenciado por el sistema de fallas del borde llanero. El sitio de estudio está influido por la falla los Yopos y la de Tamara, también por el sinclinal del retiro con rumbo S-W, y la influencia de la cuenca del rio Cravo sur.
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6. MARCO TEORICO. 6.1.
PRINCIPIOS DE INGENIERIA DE TALUDES ROCOSOS.
El diseño de los cortes de roca para proyectos civiles, como carreteras y ferrocarriles por lo general tiene que ver con los detalles de la geología estructural. Es decir, la orientación y las características (tales como la longitud, rugosidad y materiales de relleno) de las articulaciones y fallas que ocurren detrás de la cara de la roca3. Para muchos cortes de roca en proyectos civiles, las tensiones en la roca es mucho menor que la resistencia de la roca por lo que hay poca preocupación de que se produzca la fractura de la roca intacta. Por lo tanto, el diseño pendiente se refiere principalmente a la estabilidad de los bloques de roca formados por las discontinuidades.
Figura 6.1. Influencia de las condiciones geológicas en la estabilidad de los cortes de roca:
3
DUCAN C WILLIE Y CGISTOPHER WHAH. ROCK SLOPE ENGIENEERING Civil and Mining.
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La figura 6.1 muestra una gama de condiciones geológicas y su influencia en la estabilidad, e ilustra los tipos de información que son importantes para el diseño. Taludes (a) y (b) muestran las condiciones típicas de rocas sedimentarias, como la piedra arenisca y piedra caliza, en los cuales deslizamiento puede ocurrir si la caída de los estratos es más pronunciado que el ángulo de fricción de la superficie de discontinuidad. En (c) la cara en general también es estable debido a la discontinuidad principal ajustado se sumerge en la cara. Sin embargo, existe el riesgo de inestabilidad de los bloques superficiales de roca formadas por el conjunto de articulación conjugado que cae fuera de la cara, sobre todo si ha habido daños explosión durante la construcción. En (d) el conjunto de articulación principal también se sumerge en la cara, pero en un ángulo pronunciado para formar una serie de losas delgadas que pueden fallar por derribar donde el centro de gravedad del bloque se encuentra fuera de la base. Talud (e) muestra una secuencia de piedra arenisca - esquisto estratos horizontales típico en el que el esquisto resiste considerablemente más rápido que la piedra arenisca para formar una serie de salientes que pueden fallar repentinamente a lo largo de juntas de alivio de tensión verticales . Talud (f) se corta en la roca débil que contiene las articulaciones persistencia muy próxima entre sí, no forman una superficie de deslizamiento continua. Un corte pendiente en este macizo rocoso débil puede fallar a lo largo de una superficie circular de poca profundidad, en parte a lo largo de las articulaciones y en parte a través de la roca intacta.
6.2.
ANALISIS DE ESTABILIDAD EN ROCA.
Excepto para el caso muy particular de una unidad rocosa sin fracturas, la mayoría de las masas de roca pueden considerarse como ensambles de bloques de roca intacta, cruzados y definidos estructuralmente a gran escala en las tres dimensiones por sistemas de discontinuidades regulares o aleatorias y cuyo comportamiento en cuanto a permeabilidad, resistencia y deformabilidad está regido por las propiedades de estas estructuras antes que por las de la roca intacta4. Por esta razón se han desarrollado los siguientes parámetros que caracterizan la naturaleza de las discontinuidades que forman la estructura: Orientación: dos él tres parámetros angulares: rumbo, dirección de buzamiento y buzamiento. Persistencia: continuidad de las discontinuidades en superficie. Espaciamiento: distancia normal entre dos discontinuidades. Propiedades superficiales: forma, abertura, rugosidad. Relleno: material que ocupa el espacio entre discontinuidades. El análisis de estabilidad de taludes en roca es un proceso doble: primero se hace un análisis cinemático de la estructura en el sitio, determinando orientaciones desfavorables, lo cual se logra por medio de estudios estereográficos. Una vez determinado un posible modo de falla cinemático, se
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INSTITUTO NACIONAL DE VIAS. Manual de Estabilidad de Taludes. 1998.
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procede entonces al análisis de estabilidad, con base en métodos de equilibrio límite, para hallar un factor de seguridad.
6.3.
FALLA PLANA.
La falla plana en taludes rocosos no es comúnmente apreciada, ya que es sólo de vez en cuando que todas las condiciones geométricas requeridas para producir un fallo de este tipo se producen en una pendiente real. Sin embargo, no sería justo ignorar el caso bidimensional, porque hay muchas valiosas lecciones que pueden aprenderse de la consideración de la mecánica de este tipo de avería simple.
6.3.1. Condiciones Generales de la Falla Plana. La figura 6.2 muestra una falla plana típica en una en un talud de roca donde un bloque de roca se ha deslizado en un solo plano de inmersión fuera de la cara. Para que este tipo de fallo que se produzca, las siguientes condiciones geométricas deben ser satisfechos (Figura 6.2 (a)):
La dirección de buzamiento de la discontinuidad deberá ser similar a la dirección de buzamiento del talud (entre unos ±20° aproximadamente), es decir, que el rumbo de la discontinuidad estará dentro de los 20° más próximos al rumbo del talud. El buzamiento de la discontinuidad deberá ser menor que el del talud y el plano de falla deberá cortar la cara libre del talud es decir, ψp < ψf. El buzamiento de la discontinuidad deberá ser mayor que el ángulo de fricción de la superficie de contacto entre sus caras es decir, ψp < Ø. El extremo superior de la superficie de deslizamiento o bien se cruza con la pendiente superior, o termina en una grieta de tensión La extensión lateral de la masa en falla potencial deberá estar definida por discontinuidades que no contribuyan en forma significativa a la estabilidad de la masa.
Figura 6.2 Geometría de los taludes que presenta debilidad en un plano: (a) la sección transversal que muestra planos que forman un plano de falla; (b) liberar superficies en los extremos de la insuficiencia del plano; (c) la unidad Espesor de la guía utilizada en el análisis de la estabilidad5.
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DUCAN C WILLIE Y CGISTOPHER WHAH. ROCK SLOPE ENGIENEERING Civil and Mining.
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La presencia de agua ejerciendo presión a lo largo de la superficie de deslizamiento puede alterar en algunos casos la posibilidad cinemática de una falla plana, aun cuando no se cumplan las condiciones antes descritas.
6.3.2. Análisis Cinemático de la Falla Plana. Las geometrías del talud y las condiciones de agua subterránea considerados en este análisis se definen en la Figura 6.3, que muestra dos geometrías de la siguiente manera: a) Taludes que presentan la grieta de tensión en la superficie superior. b) Taludes que presentan la grieta de tensión en la cara del talud.
Figura 6.3 Geometría de un talud en falla plana.
El factor de seguridad para la falla plana se calcula mediante la resolución de todas las fuerzas que actúan sobre la pendiente en componentes paralelos y normal al plano de deslizamiento. La suma vectorial de las fuerzas de cizallamiento, ΣS actúa hacia abajo del plano y se denomina la fuerza actuante. El producto de las fuerzas totales normales, ΣN y la tangente del ángulo de fricción φ, además de la fuerza de cohesión se denomina la fuerza de resistencia. El factor de seguridad FS del bloque deslizante es la relación de las fuerzas de resistencia a las fuerzas de conducción, y se calcula como sigue: 𝐹𝑆 =
𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑅𝑒𝑠𝑠𝑖𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑐𝐴 + Σ𝑁 tan 𝜙 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝐴𝑐𝑡𝑢𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 Σ𝑆
(6.1)
Donde c es la cohesión y A es el área del plano de deslizamiento. Basado en el concepto ilustrado en las ecuaciones (6.1) el factor de seguridad para las configuraciones del talud que se muestran en la Figura 6.3 se da por. 14
𝐹𝑆 =
6.4.
𝑐𝐴 + (𝑊 cos 𝜓𝑝 − 𝑈 − 𝑉 𝑠𝑒𝑛 𝜓𝑝) tan 𝜙 𝑊 𝑠𝑒𝑛 𝜓𝑝 + 𝑉 cos 𝜓𝑝
(6.2)
FALLA EN CUÑA.
Por lo general, los cortes y excavaciones desestabilizan cuñas de roca cuando dejan expuesta la línea de intersección de las discontinuidades. El movimiento se puede precipitar a lo largo de los dos planos laterales en forma simultánea o a lo largo del más empinado en la dirección del máximo buzamiento. La velocidad de movimiento en la falla (que puede suceder en minutos o después de meses de exposición) depende fundamentalmente de la relación que existe entre la resistencia pico y la resistencia residual del material deslizado. Las lutitas, areniscas de estratos delgados, arcillolitas, calizas y las rocas sedimentarias en general tienden a ser más propensas a la falla en cuña. Sin embargo, no sólo la litología controla la falla. También la estructura y disposición de los planos de debilidad respecto al talud pueden favorecer la formación de cuñas.
6.4.1. Condiciones Generales de la Falla en Cuña. La geometría de la cuña para el análisis de los mecanismos básicos de deslizamiento se define en la Figura 6.4. Sobre la base de esta geometría, las condiciones generales para la insuficiencia de cuña son los siguientes:
Dos planos siempre se cruzan en una línea (Figura 6.4 (a)). En la estereoneta, la línea de intersección está representado por el punto en el que los dos círculos mayores de los planos se cortan, y la orientación de la línea se define por su tendencia (α i) y su caída (ψi) (Figura 6.4 (b)). La inclinación de la línea de intersección debe ser menor que el buzamiento del talud, y más pronunciado que el ángulo de fricción promedio de los dos planos de deslizamiento, es ψfi> ψi>φ (Figura 6.4 (b) y (c)). La línea de intersección debe sumergir en una dirección hacia fuera de la cara de deslizamiento que es factible, el rango posible de la tendencia de la línea de intersección está entre αi y α'i (Figura 6.4 (d)).
La presencia de agua subterránea también puede alterar en ocasiones la estabilidad cinemática de la cuña.
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Figura 6.4 Geometría de un talud en falla en cuña.
6.4.2. Análisis Cinemático de la Falla Plana. Para el análisis de estabilidad se debe definir la geometría de la cuña conociendo la localización y orientación de al menos cinco superficies que la formen: las dos discontinuidades de intersección, la cara del talud, el corte con la cima del mismo y, si existe, el plano que representa la grieta de tracción. El tamaño de la cuña está definido por la distancia vertical que existe entre la cresta del talud y el punto donde emerge la línea de intersección. La estabilidad de la cuña puede evaluarse por medio de un análisis de equilibrio límite con un factor de seguridad que se resuelve para fuerzas perpendiculares a las discontinuidades y paralelas a la línea de intersección. Estas fuerzas incluyen el peso de la cuña, fuerzas externas como cargas de fundación, aceleraciones sísmicas, elementos de refuerzo a tensión, presiones de agua sobre las superficies y la resistencia al corte desarrollada a 10 largo del plano o planos de deslizamiento.
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Figura 6.5. Resolución de fuerzas para calcular el factor de seguridad de cuña.
Se discute las condiciones geométricas que podrían resultar en una falla de cuña, pero este análisis cinemático proporciona información limitada del factor de seguridad porque no se consideraron las dimensiones de la cuña. Un método para calcular el factor de la seguridad de una cuña que incorpora la geometría del talud, diferentes resistencias a la cizalladura de los dos planos de deslizamiento y el agua subterránea. Sin embargo, las limitaciones de este análisis son que no hay ninguna grieta de tensión, y no hay fuerzas externas tales como pernos pueden ser incluidos. 𝐹𝑆 =
3 𝛾𝑤 𝛾𝑤 (𝑐𝐴𝑋 + 𝑐𝐵𝑌) + (𝐴 − 𝑋) tan 𝜙𝐴 + (𝐵 − 𝑌) tan 𝜙𝐵 𝛾𝑟 𝐻 2𝛾𝑟 2𝛾𝑟
Donde c A y c B son las resistencias cohesivas, y φA y φB son los ángulos de fricción, respectivamente, en los planos A y B, γr es el peso unitario de la roca, γw es el peso unitario del agua, H es la altura total de la cuña. Los factores adimensionales X, Y, A y B dependen de la geometría de la cuña. 𝑋= 𝐴=
𝑠𝑒𝑛 𝜃24 𝑠𝑒𝑛 𝜃45 cos 𝜃2𝑛𝑎
𝑐𝑜𝑠 𝜓𝑎 − cos 𝜓𝑏 cos 𝜃𝑛𝑎.𝑛𝑏 𝑠𝑒𝑛 𝜓5 𝑠𝑒𝑛2 𝜃𝑛𝑎.𝑛𝑏
𝑌= 𝐵=
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𝑠𝑒𝑛 𝜃13 𝑠𝑒𝑛 𝜃35 cos 𝜃1𝑛𝑎
𝑐𝑜𝑠 𝜓𝑏 − cos 𝜓𝑎 cos 𝜃𝑛𝑎.𝑛𝑏 𝑠𝑒𝑛 𝜓5 𝑠𝑒𝑛2 𝜃𝑛𝑎.𝑛𝑏
Figura 6.6. Estereoneta de datos necesarios para el análisis de la estabilidad de la cuña.
6.5.
FALLA POR VOLCAMIENTO.
Las rocas más susceptibles a este tipo de falla son las basálticas de estructura columnar y las sedimentarias y metamórficas con planos de estratificación bien desarrollados. El volcamiento se caracteriza por los grandes desplazamientos horizontales cerca de la cresta de los taludes y los movimientos muy pequeños cerca de la pata. El desarrollo de fisuras y la resistencia entre estratos son factores fundamentales para el análisis de estabilidad en estos casos. A continuación se resumen las condiciones necesarias para que se produzca la falla por volcamiento:
Rumbo de las losas aproximadamente paralelo al talud, con diferencias entre 15° y 30° (por lo general 20°). Buzamiento de las losas o capas paralelo o mayor que el de la cara del talud. Para que se presente deslizamiento entre capas (Goodman, 1980, citado por Tumer y Schuster,1996), la normal al plano de volcamiento debe tener una inclinación menor que la 18
diferencia existente entre el buzamiento de la cara del talud y el ángulo de fricción de la superficie, es decir: (90° - ψF) ≤ (ψd - ɸp). Donde: ψp = buzamiento de los planos geológicos., ψf = buzamiento de la cara del talud., ɸp = ángulo de fricción a lo largo de los planos.
Figura 6.7. Condiciones cinemáticas (a) altura / anchura de prueba de bloque, b) las instrucciones de estrés y direcciones en deslizamiento de talud rocoso, (c) condiciones de deslizamiento entre capas, (d) Prueba de cinemática definida en menor proyección estereográfica del hemisferio .
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7. METODOLOGIA. 7.1.
RECONOCIMIENTO DE CAMPO.
En esta se planeó el tipo de información que se requeriría, los equipos y medios necesarios para poder levantar y tomar los datos generales del área de estudio, así como sus alrededores entre estas cartografías de IGAC, INGEOMINAS e IDEAM y estudios preliminares. En la visita se verifico su topografía, Montañosa, condiciones de la superficie, delimitación del área de estudio, cursos del agua, se realizó un plan de exploración basado en las excavaciones abiertas. Se trató para el análisis del presente talud en roca, en conocer diversas propiedades de la roca y el macizo rocoso, incluyendo: Litología, Estructuras mayores (fallas, pliegues), Sistemas de estructuras menores (diaclasas), Propiedades de fracturamiento: frecuencia de fracturas, persistencia, continuidad, etc. Y por último hallar la Resistencia de discontinuidades (Correlaciones de ensayos de corte, criterios de falla, etc.), Resistencia del macizo rocoso, Condiciones hidrogeológicas, Limitaciones topográficas y geométricas dadas por la operación futura.
7.2.
LEVANTAMIENTO DE DISCONTINUIDADES Y ESTRATIGRAFIA.
El levantamiento se plantea con el objetivo de determinar el rumbo y buzamiento de la estratigrafía y las familias de diaclasas, para determinar en oficina las orientaciones maestras de dichas estructuras. Se plante realizar el levantamiento con una brújula geológica y una cartera para anotar las diferentes orientaciones de las estructuras, además el levantamiento tiene como objetivo igual que el reconocimiento preliminar de campo, identificar características importantes del macizo rocoso como relleno, espaciamiento y presencia de nivel freático en el talud.
7.3.
RECOPILACIONDE INFORMACION.
Es necesario la recopilación de información primaria como el levantamiento y reconocimientos de campo, y también realizar una recopilación de información secundaria de instituciones y proyectos existentes de la zona de estudio. El INGEOMINAS proporciona una información geológica dela zona con una escala 1:100.000 que puede dar un estimativo delas condiciones regionales de la zona e identificar estructuras geológicas importantes como fallas. El IGAC proporciona información geomorfológica importante en la caracterización de la zona y determinar la geo-forma dominante del talud y características hidrográficas de la zona. 20
7.4.
ANALISIS DE DATOS.
Se realiza la validación y análisis de datos levantados en campo, la digitalización y conversión de datos, en este caso para el análisis se utilizó la conversión de dip/dip-direccion con el fin de introducir los datos al software DIPS de Rocsience, y realizar los respectivos análisis estereográficos de las discontinuidades y estratigrafías. En esta etapa se verifican las familias de orientaciones obtenidas en el levantamiento y las probabilidades de cada una de estas, simultáneamente se realiza la verificación del número de datos introducidos.
7.5.
ANALISIS CINEMATICO.
Teniendo en cuenta el análisis de datos se procede a realizar el análisis cinemático de falla del talud, con las condiciones reales, analizando la posible falla que pueda tener el talud. Se realiza las verificaciones de falla con las condiciones generales de cada caso, con la ayuda de las representaciones estereográficas y determinando las probabilidades de fallas anteriormente vistas. Determinar la falla predominante corroborando con el reconocimiento de campo, y definir el respectivo factor de seguridad del caso en particular.
7.6.
MEDIDAS DE ESTABILIZACION.
Para poder determinar las medidas de estabilización se debe de tomar en cuenta: la tierra, la corteza terrestre, la tectónica de placas, las cordilleras colombianas, las clases de roca, los minerales, las formas del terreno, los procesos geodinamicos y morfodinamicos, los drenajes, el clima, la vegetación, el agua subterránea y en la parte de geología estructural los plegamientos, el fallamiento, el cizallamiento, el fracturamiento o diaclasamiento, la estratificación, la foliación y pseudoestratificacion.
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8. ANALISIS CINEMATICO DEL TALUD ROCOSO. Con bases teóricas anteriormente mencionadas se realiza el análisis cinemático, teniendo en cuenta las condiciones generales de falla y las representaciones estereográficas delos datos levantados.
8.1.
DATOS GEOLOGICOS.
Se realizó el levantamiento geológico de las discontinuidades y estratigrafía con brújula geológica como se muestra en la imagen 8.1, identificando rumbo y buzamiento de las estructuras y demás características de estas.
Imagen 8.1. Levantamiento de discontinuidades.
Se genera una base de datos y características de cada una de las mediciones con el fin de establecer una comparación relativa entre las discontinuidades como se muestra en la tabla 8.1.
8.2.
REPRESENTACION ESTEREOGRAFICA.
Se incorporan los datos levantados en el software DIPS, con la convención dip/dip-direccion, y se procede a realizar la representación gráfica de los datos como polos, como se puede observar en la gráfica 8.1. Se pudo identificar un total de 68 orientaciones del talud que representan la estratigrafía y discontinuidades.
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Grafica 8.1. Distribución de polos en DIPS.
Se pueden observar dos concentraciones grandes de polos que representan la estratigrafía y la discontinuidad. Procedemos a representar la distribución de porcentajes de las familias de polos que se pueden observar en la gráfica 8.2.
Grafica 8.2. Porcentaje de concentraciones de polos.
Teniendo ya las familias predominantes se grafica la orientación del talud para tener una estimación preliminar de las fallas posibles.
23
Grafica 8.3. Círculos mayores de las familias y el talud existente.
8.3.
PROPIEDADES GEOMECANICAS.
Debida a la falta de ensayos de laboratorio por inconvenientes de equipos de extracción y aspectos económicos, se caracteriza el material rocoso, respecto a correlaciones y estudios realizados. El Angulo de fricción interna para la mayoría de rocas este ángulo varía entre 25 y 45°, para una roca arenisca el ángulo de fricción esta entre 30-50°. Debido a que la roca no es completamente sana el ángulo es mucho menor que los 50°, por esto se establece un ángulo de fricción de 35°. El cual se grafica en la estereoneta como se observa a continuación.
Grafica 8.4. Circulo mayor de ángulo de fricción de 35°.
24
8.4.
ANALISIS DE FALLA.
Teniendo en cuenta las recomendaciones generales de falla se analiza las posibles fallas que puede tener el talud.
8.4.1. Falla Plana. Se realiza el análisis independiente del talud existen con cada familia o diaclasa miento maestro. Teniendo en cuenta el primer criterio. 𝛼𝑓 + 20° = 217 + 20 = 237°
𝛼𝑓 − 20° = 217 − 20 = 197°
𝛼𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑖𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑎 = 166°
𝛼𝑑𝑖𝑎𝑐𝑙𝑎𝑠𝑎 = 314°
Grafica 8.5. Area de falla plana.
Como podemos observar los polos de la estratigrafía y diaclasamiento no se encuentran dentro del área de falla plana.
8.4.2. Falla en Cuña. De igual forma analizamos la falla en cuña generada por la estratificación, diaclasamiento y el talud.
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Grafica 8.6. Dirección del deslizamiento de la falla en cuña.
Teniendo en cuenta la representación gráfica podemos definir que el ángulo de intersección es de ψi = 16°. 𝜓𝑖 < 𝜓𝑓 → 16° < 65°
8.4.3. Falla por Volcamiento.
Grafica 8.7. Área de falla por volcamiento.
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Se puede observar que dentro del área de falla por volcamiento no se encuentra ningún polo de los planos posibles de falla.
8.5.
DISEÑO DEL TALUD.
Debido a que las condiciones de orientación del talud están limitadas por el diseño geométrico de la vía es más factible el diseño de la pendiente de este. El análisis cinemático demuestra que con el corte actual el talud presenta problemas por falla en cuña, esto corrobora las muestras de material caído en el pie del talud en formas de cuñas. El nuevo corte se realiza utilizando las representaciones graficas en la estereoneta cambiando el ángulo de buzamiento hasta poder mitigar la falla o disminuir esta diferencia entre angulos de la dirección de la intersección y del corte del talud. Debemos tener en cuenta que los costos con respecto al angulo de corte son inversamente proporcionales, se establece un corte no menor a 45°, ya que económicamente no justifica el proyecto.
Grafica 8.8. Análisis con un nuevo ángulo de corte.
Es notable que la presencia de la falla por cuña sin alterar la orientación del corte está siempre presente. Por esto es necesario intervenir el talud mediante medidas de estabilización.
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9. MEDIDAS DE ESTABILIZACION. En los sistemas de transporte en terreno montañoso, puede haber cientos puntos con variedad de riesgos de caída de roca que resulta en un costo significativo para el operador. Bajo estas circunstancias, un programa de estabilización a largo plazo de varios años a menudo se justifica; esta sección se describen los pasos a seguir en la ejecución de dicho programa.
9.1.
REMOCION DEL MATERIAL.
Una de las medidas iniciales de estabilización dentro de un programa está sujeta a las remociones de materiales que este potencialmente en caída. En el talud se puede evidenciar cuñas que tienen una probabilidad considerable de falla, y los cuales se pueden activar la falla controlada como se puede observar en la siguiente imagen.
Imagen 9.1. Bloque potencialmente inestable.
9.2.
CORTE DEL TALUD.
Es necesario realizar un nuevo corte que modifique la pendiente de tal manera que disminuya esta, y controle los deslizamientos de tipo cuña. Debido a la inversión económica considerable que genera los cortes de aludes rocosos se establece un programa a largo plazo de cortes. Estos cortes se deben realizar teniendo en cuenta que no se altere la estabilidad actual del talud, es decir los cortes se realizan de forma descendente, y logrando un cambio de pendiente general en forma gradual y controlada.
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9.3.
ESTABILIZACION POR REFUERZO.
Los anclajes se deberán proyectar dentro del mismo programa de estabilización a largo plazo, estos anclajes se realizan en bloques de potencial de deslizamiento grandes y garantizando una profundidad y numero de anclaje suficientes para soportar el bloque. Estos anclajes se instalan posterior al retiro del material y respectivo corte programado.
Imagen 9.2. Detalle de anclaje típico.
9.4.
PROTECCION CONTRA CAIDA DE ROCAS.
Se establecen medidas necesarias a la caída de rocas debido al riesgo al que se encuentra expuesto los vehículos, y también que el sistema de refuerzo por anclajes son puntuales en la cara del talud. Se implementa la adecuación de un enmallado simultáneo al refuerzo por anclaje, dejando una matriz de anclaje y malla progresivamente hasta llegar al pie del talud. Cabe notar que como los demás procesos implementados son desarrollados dentro del programa de estabilización.
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10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES De acuerdo a los datos tomados en campo y mediante la utilización del software Dips se determinaron dos familias de discontinuidades en el macizo, las cuales se pueden observar en los diagramas de polos, frecuencias y rosetas.
Las direcciones que predominan en la familia número 1 del macizo son: 42/166. Las direcciones de buzamiento que predominan en la familia número 2 del macizo rocoso son: 52/314.
El espaciado característico para la familia numero 1 son: muy junto (20 y 60 mm) y junto (60 a 200). El espaciado que predomina en la familia número 2 es moderadamente junto (MJ). Las rugosidades que predominan en el macizo son escalonadas rugosa (EI) y escalonada lisa (EII).
Las aberturas que predominan en la familia número 1 son: Muy cerrada (MC) y Parcialmente abierta (PA). La abertura que predomina en la familia número 2 es: parcialmente abierta (PA). De acuerdo con los resultados obtenidos se determinó que este presenta una alta infiltración.
La continuidad que predomina en la familia número 1 es una continuidad media (CM). Las continuidades que predominan en la familia número 2 son: alta continuidad (AC) y muy alta continuidad (MC).
ESTABILIDAD Y DISEÑO DEL TALUD: Según el planeamiento de minado detallado y teniendo en cuenta las propiedades mecánicas de la roca existente en el área, definidas por la valoración geomecánicas Y de diseño geométrico de la vía se puede establecer los siguientes parámetros: Angulo de talud final 50° Altura de bancos 7 m. Angulo del banco In-situ 65° Ancho de berma 5 m. El modelamiento geomecánico así como la evaluación de la estabilidad de taludes se realizó teniendo en cuenta los parámetros arriba indicados y dieron como resultado la estabilidad de dicho talud.
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