Anlisis de Estabilidad de taludes

Profesor: Jorge MartnezAsignatura: Mecnica de RocasAlumno: Eric Cortes MelladoCarrera: Ingeniera en Minas.Anlisis de Estabilidad de taludes

Generalidades:Para el diseo de cualquier explotacin a cielo abierto es necesario contar con la modelizacin geolgica del yacimiento, la cual se obtiene a partir de los trabajos previos de investigacin. Este diseo contempla el establecimiento de los contornos finales, intermedios y perspectivos en las diferentes etapas en el desarrollo de la explotacin, as como la definicin del mtodo de explotacin y la seleccin de la maquinaria a utilizar. Un aspecto de extrema importancia para el armnico desarrollo de los trabajos mineros es el que est relacionado con la estabilidad de sus contornos, ya que garantizan la seguridad durante la explotacin, en el perodo de cierre y, en el uso posterior de los espacios creados por la explotacin. Los elementos del contorno de la cantera son: Los bordos, su profundidad o altura de explotacin, los bancos, compuestos por las plazoletas, altura de banco, ngulo de talud del banco, las bermas de transporte y de seguridad, ngulo de los bordos activo e inactivo de la explotacin y el ngulo de culminacin. I Informacin previa para el diseo de los taludes en la mina Para acometer el diseo de una cantera, as como de sus elementos, es necesario contar con un volumen de informacin, que caracterice al macizo rocoso y su comportamiento en el tiempo, para poder tomar las decisiones de diseo que garanticen la seguridad y economa de la cantera. Esta informacin la podemos agrupar de la siguiente forma:

Modelo geolgico del yacimiento Propiedades del macizo rocoso Caractersticas hidrogeolgicas de macizo Efectos de la alteracin de las rocas Esfuerzos in situ Efectos de las voladuras en las rocas Tratamiento para preservar la estabilidad de los taludes. Aqu es importante tener un criterio de cmo quedara el espacio creado y que posible uso tendr.A continuacin tratamos de forma resumida los principales elementos que deben estar incluidos en cada una de las carpetas de informacin necesaria.

MODELO GEOLGICO

Recoleccin de Informacin Geolgica tanto en soporte electrnico o papel: La disponibilidad de un modelo geolgico es fundamental. Estos Modelos Geolgicos son ms efectivos cuando se confeccionan en tres dimensiones con el empleo de programas profesionales como VULCAN, GEMCOM, etc. Los modelos permiten visualizar en tres dimensiones la geologa, geologa estructural, distribucin de leyes, distribucin de agua subterrnea y toda la informacin geomecnica existente y disponible (RQD, RMR, Q, etc.). Con la automatizacin del diseo se facilita utilizar la interface de Modelos Geolgicos con Modelos de Anlisis de Estabilidad.

DETERMINACIN DE LAS PROPIEDADES DEL MACIZO ROCOSO

Es el aspecto que constituye el mayor problema, en el anlisis de estabilidad de taludes y, la toma de decisiones para el diseo de la estrategia de explotacin de la cantera. Se tendr en cuenta el problema que surge con la seleccin del tipo de modelo que caracteriza al macizo, modelos continuos (Homogneos) o discontinuos (discretos). Es conveniente usar el criterio de falla de Hoek y Brown teniendo en cuenta los supuestos considerandos en su evaluacin y utilizar los clculos retroactivos para verificar si los parmetros asumidos en el criterio de falla son correctos. Se recomienda el empleo de mtodos probabilsticos.

PRESENCIA DE AGUA SUBTERRNEA

La presencia de agua subterrnea en los taludes reduce las tensiones efectivas y, consecuentemente, reduce la resistencia al corte de las discontinuidades presentes en el macizo rocoso. La medicin y el control de los niveles freticos es importante durante toda la vida de la cantera. El modelo geolgico debe incluir la informacin del nivel fretico, sus fuentes de alimentacin, as como la hidrulica del macizo rocoso.

EFECTO DE LA ALTERACIN

La mineralizacin en muchos casos est asociada a zonas de alteracin que tienen impacto sobre la resistencia del macizo rocoso y, por lo tanto, su estabilidad. Durante el mapeo geolgico se deben identificar zonas de alteracin mostrando sus grados y tipo de alteracin. El mapeo geolgico debe precisar el efecto de la alteracin en la resistencia y calidad de los macizos rocosos. Para definir la alteracin se debe utilizar la observacin de campo, complementada por investigaciones geofsica y ensayos de laboratorio.

ESFUERZOS IN-SITU

Los taludes de forma convexa (salientes) son menos estables que los taludes cncavos debido a la falta de confinamiento en los primeros. El efecto del desconfinamiento es usualmente ignorado. ste termina generalmente en prdida de resistencia del macizo rocoso. La concentracin de tensiones en los pies de los taludes de bancos de gran altura produce fallas en la zona, que causan inestabilidad en los mismos. En contadas ocasiones se realizan mediciones de esfuerzos in situ para diseo de taludes, siendo una practica poco comn en canteras, solamente se emplea en investigaciones en canteras muy profundas.

DAO POR EFECTO DE LA VOLADURA

El dao causado por una voladura masiva se extiende varios metros detrs del talud. El dao de la voladura se produce debido a los esfuerzos dinmicos inducidos que resultan en el proceso de la fracturacin de la roca, con lo cual se produce la abertura de las discontinuidades. Es importante hacer una detallada observacin de los testigos de perforacin para tener una apreciacin real del macizo rocoso. El efecto de la rotura o fragmentacin producida por la voladura debe ser tomado en cuenta durante el mapeo geotcnico, para valorar en que medida es afectada la calidad del macizo rocoso.

CRITERIOS PARA EL DISEO DE LOS TALUDES

La estabilidad de los taludes en una explotacin a cielo abierto tiene una gran importancia para la seguridad y efectividad econmica de la misma por lo que debe ser considerada desde el inicio del proceso de diseo.Los aspectos ms importantes que afectan la seguridad en los frentes y operaciones son los siguientes: Cada o deslizamiento de rocas sueltas Colapso parcial de un banco Colapso general de un bordo de la cantera.

Las recomendaciones para el control y eliminacin de los riesgos son la adopcin de las siguientes medidas: Diseo adecuado de bancos y plataformas para retener los desprendimientos de materiales. Determinacin y mantenimiento adecuado de taludes generales seguros. o Control en las proximidades del talud, para reducir los daos en el macizo. Aplicacin de sistemas de drenaje en los macizos para reducir las tensiones originadas por el agua. Saneo sistemtico y efectivo de materiales sueltos, potencialmente peligrosos por la posibilidad de cada.

Los estudios previos necesarios para realizar el diseo geotcnico de un talud estable implican una caracterizacin del macizo rocoso a partir de los siguientes factores: Sistemas de juntas y discontinuidades Relacin de estos con las superficies de los frentes, taludes y los posibles planos de rotura. Parmetros resistentes de las juntas, las caractersticas y propiedades de sus superficies, as como los materiales que los rellenan. Propiedades geotcnicas de la matriz rocosa. Caractersticas hidrogeolgicas y las presiones de agua en las juntas y fracturas. Efecto de las vibraciones sobre los macizos.

Es necesario sealar las formas de rotura que se producen a partir de los datos registrados por la practica internacional. En el caso de taludes rocosos, las superficies de rotura pueden producirse a partir de las discontinuidades preexistentes en el macizo. Se puede aplicar un mtodo grfico para identificar las situaciones en los que, cinemticamente, son posibles ciertos tipos de rotura. La utilizacin de los mtodos grficos permite detectar los sectores de la explotacin que son susceptibles a la produccin de roturas y as, dirigir las acciones de reconocimiento hacia las zonas mas criticas. En el caso de macizos poco cohesionados del tipo suelo, la experiencia ha demostrado que las roturas son del tipo circular. En los macizos rocosos muy fracturados y, donde esta se manifiesta de forma aleatoria o, donde el talud general vara con respecto a la estructura, las superficies de rotura son ms complejas; pudiendo ser compuestas y formadas parcialmente por discontinuidades prximas a la superficie de deslizamiento y, por otro lado, por factores nuevos en la roca intacta. En el caso de una fracturacin intensa el grado de imbricacin de bloques y sus posibilidades de movimiento juegan un papel importante, pudiendo adoptarse la hiptesis de rotura circular. Los clculos de estabilidad de equilibrio limite ( basados en la mecnica de los slidos no deformables) se pueden aplicar para los diferentes tipos de roturas indicadas

En geotcnia, el riesgo de colapso de un talud se mide en trminos del llamado coeficiente de seguridad FS, que es la relacin entre el conjunto de los esfuerzos resistentes o estabilizadores y los desestabilizadores que provocan la rotura del talud. La relacin de un factor FS mayor implica una disminucin del riesgo, pero supone en general taludes mas acostados o tendidos. El valor FS=1 seala la frontera en la cual un talud es o deja de ser estable. La necesidad de utilizar valores de FS > 1 surge como consecuencia de los siguientes factores: Posible existencia de caractersticas geolgicas y estructurales del talud, que no han sido detectadas en el estudio geotcnico. Los posibles errores en los ensayos para caracterizar al macizo. o La heterogeneidad y anisotropa presente en el macizo. La determinacin y variabilidad de las presiones de agua en el talud. Los errores derivados de las supuestas superficies de rotura utilizadas. Los errores en los clculos.

Los valores que se adoptan en la prctica varan en funcin de las consecuencias que resultaran de su colapso, y del nivel de confianza en los datos utilizados. La experiencia internacional, que se obtiene teniendo en cuenta las considerables implicaciones econmicas, en la seleccin de un coeficiente de seguridad FS prximo a 1,3 puede ser adecuado para taludes cuya estabilidad no se considere a largo plazo, Como es el caso de los taludes de los frentes de trabajo que en ocasiones se trabajan con FS= 1. Por el contrario si las condiciones son criticas o estamos ante los contornos finales FS puede tomar valores de 1,5 a 1,6, aunque dependiendo del tipo de roca, de sus propiedades reolgicas y del grado de alteracin con el tiempo, se debern tomar medidas adicionales an con un factor de seguridad elevado. El coeficiente de seguridad, para un talud con rotura plana, se determina con la siguiente expresin:

En las explotaciones a cielo abierto el coeficiente de seguridad se recomienda obtenerlo para diferentes pendientes del bordo final. Segn sea la estructura geolgica de los macizos, las variaciones de FS con el talud pueden ser lineales o no. En la practica se presentan dos casos distintos: En el primero, se trata de un macizo homogneo, donde el tipo de rotura no esta determinado por las discontinuidades, los valores de FS dependen de la altura del talud y su ngulo; En el segundo caso, la estabilidad esta controlada por discontinuidades del macizo (caso de las roturas planas y del tipo cua), pudiendo ser los valores de FS altos, a pesar de lo cual puede ocurrir que, por debajo de valores limites de ngulo de talud, exista la posibilidad cinemtica de deslizamiento. Esto se explica por que el valor de FS puede disminuir drsticamente debido a la perdida de cohesin el macizo. Por otro lado, en la mayora de los mtodos de clculo se supone que, el talud es en planta rectilneo, sin tener en cuenta la curvatura del hueco. En la prctica, se ha comprobado que los taludes con superficies convexas son ms inestables que los cncavos. En estos ltimos, es posible aplicar la segunda regla emprica; si el ngulo de curvatura de un talud concavo (medido en el pie del mismo) es inferior a su altura, la pendiente resultante del clculo bidimensional puede aumentarse 10 grados mientras que, si el talud es convexo, habr que disminuirlo en esa misma magnitud. Una vez definidas las pendientes estables de los bordos finales (taludes generales finales) se pasa a estudiar la geometra de los bancos. En dependencia de la configuracin de los taludes y su orientacin relativa respecto a la estratificacin o familias de discontinuidades dominantes, es posible clasificar las diferentes situaciones de los bancos para su diseo

Zonas en las que la estratificacin esta inclinada hacia la superficie del talud con un ngulo inferior a 25 grados, no deben ocurrir inestabilidades ni deslizamientos importantes. En el caso de taludes sin bermas ni plazoletas de trabajo, donde la pendiente coincida con un ngulo no superior a los 50 grados, no deben producirse deslizamientos. Los bancos con ngulo de talud de 50 a 90 grados coincidentes con los planos de estratificacin deben manifestar deslizamientos roturas por pandeo de estratos. o En el caso que los bancos corten los estratos discontinuidades con buzamiento opuesto a la direccin de su desarrollo, en el talud o frente es posible que ocurran desprendimientos de rocas por vuelco de estratos. En los lugares donde la estratificacin sea opuesta a la direccin del hueco de la cantera y los bancos cortan las discontinuidades con buzamiento opuesto, el talud estar sometido a roturas escalonadas. En los bancos que cortan las discontinuidades con orientacin oblicuas al talud, aparecern roturas por cuas.

El ngulo del bordo se puede determinar a partir de la dependencia entre los parmetros geomtricos del talud.

Los resultados obtenidos a travs del anlisis geomtrico son comparados con los obtenidos para asegurar un factor de seguridad que garantice la estabilidad de los frentes de trabajo y de los bordos de la cantera. Es importante tener definicin de la posible falla de talud, para establecer el sistema de monitoreo mediante la medicin de las deformaciones, presiones y niveles de agua. Tomar las medidas de estabilizacin mediante el cambio de la geometra (reduccin de ngulo de talud, reduccin de la altura de banco). En los taludes finales o en los bordes laterales segn la direccin de desarrollo de la cantera y su estado y tipo de rotura se empleara refuerzo del talud (cables, espaldn, anclaje y mallado, gunitado, etc.). Tambin se puede emplear el drenaje (horizontal, superficial y/o galeras).FUERZAS EN TALUDES

En ingeniera los clculos buscan estimar el conjunto de fuerzas que acta sobre la porcin de tierra. Si las fuerzas disponibles para resistir el movimiento son mayores que las fuerzas que desequilibran el talud entonces se considerar estable. El factor de seguridad es el cociente entre ambas y tiene que se mayor que 1 para considerar el talud estable.

Las fuerzas estabilizadoras (S) estn compuestas por las fuerzas de cohesin y rozamiento interno del terreno:

Donde P es la carga de la superficie de rotura (P=W+Q*, Siendo W el peso de la cua de tierra y Q la sobrecarga de uso) Es el ngulo que forma la superficie de rotura con l horizontal. Angulo de rozamiento interno del terreno.

C es la cohesin del mismo.

es el grosor de la rebanada.

Las fuerzas desestabilizadoras (T) se identifican con la componente tangencial de las cargas de la superficie de rotura:

Donde es el peso especfico del sueloA es la superficie de la cua del terreno que forma la rebanada.

Este mtodo supone que las fuerzas de interaccin entre rebanadas (Xi, XYi), no influyen de manera significativa en la seccin de clculo, ya que o bien son pequeas en magnitud o bien se anulan casi totalmente entre ellas. Este hecho no es del todo cierto en determinados casos donde existen cargas no uniformes sobre terreno

EQUIPOS PARA LA MEDICION DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES.

Para llevar a cabo la auscultacin de un talud es necesaria la seleccin de las magnitudes a medir, de los puntos de medida y de los instrumentos adecuados, adems de una correcta instalacin, registro e interpretacin de las medidas. La instrumentacin permite comprobar el comportamiento del talud y verificar los modelos y anlisis de estabilidad realizados. Previamente a los trabajos de instrumentacin, es necesario conocer las caractersticas y propiedades de los materiales que forman el talud, mediante un estudio previo con observaciones de campo, toma de datos, realizacin de ensayos de laboratorio, anlisis de estabilidad, etc. Las magnitudes que habitualmente se miden en los trabajos de auscultacin son: Movimientos superficiales Movimientos en el interior del terreno Movimientos de apertura de grietas y entre bloques Presiones intersticiales y sus variaciones.

Mtodos empleados

Las diferentes tcnicas y mtodos para la medida de magnitudes descritos a continuacin. Medidas de desplazamientos en superficie y en el interior del terreno permite detectar el movimiento de una zona determinada del talud o de todo l en conjunto, y conocer la direccin y velocidad del mismo. Los sistemas de medida de desplazamientos en superficie estarn condicionados por la precisin que se pretenda y por la magnitud de los movimientos. Los movimientos en el interior se miden con inclinmetros y extensmetro. Adems, de ser tiles para la medida de la velocidad y direccin del movimiento, estos sistemas permiten localizar las superficies de rotura. Los inclinmetros deben alcanzar la zona estable situada debajo del plano de rotura ms profundo. Estos aparatos constan de un torpedo que baja por una tubera especial previamente instalada en el interior del sondeo. El torpedo permite medir ( por ejemplo, cada 50 cm) el ngulo que forma la tubera, lo que multiplicado por la distancia medida permite ir conociendo los desplazamientos horizontales a lo largo del sondeo, integrando las lecturas de debajo de arriba. Al atravesar la zona de rotura, sta suele quedar definida por cambios en los desplazamientos horizontales, lo que permite realizar el anlisis a posterior correspondiente; si los desplazamientos son importantes, el tubo puede quedar cortado e impedir las medidas.

LOS INCLINOMETROS

miden la desviacin (inclinacin) del sondeo en dos direcciones a ngulos rectos, proporcionando curvas de desplazamientos cuya inflexin denota la situacin de los planos.

LOS EXTENSMETROS

miden movimientos relativos entre la boca del sondeo y uno o varios puntos situados en el interior.

La medida de movimientos de apertura de grietas y entre bloques rocosos se suele realizar mediante elementos mecnicos (calibre, cinta mtrica, hilos, etc.) o mediante transductores elctricos; para desplazamientos grandes se emplea la cinta de convergencia. La medida de las presiones intersticiales en el interior del talud se lleva a cabo mediante la instalacin de piezmetro en sondeos o pozos de reconocimiento. Todo lo anterior, solicita el empleo de programas de ordenador, los cuales permiten la modelizacin detallada y el anlisis de la rotura y del comportamiento de las laderas en suelos y rocas. Programas como FLAC, UDEC, ZSOIL, PLAXIS, PHASE2, ROCKFALL, ROTOMAP, etc., permiten el anlisis de casos complejos y de una gran variedad de condiciones hidrogeolgicas, tensionales, etc., modelizndose tambin las medidas de estabilizacin. La instrumentacin o auscultacin de deslizamientos tienen por finalidad la vigilancia y la prediccin del comportamiento de la ladera, adems, de la obtencin de datos sobre el proceso. La instrumentacin debe orientarse fundamentalmente a la investigacin de: - Situacin de la superficie o superficies de rotura - Velocidad del movimiento, su variacin y distribucin de los desplazamientos en la ladera.

Sonda luminosa para medicin porttil de nivel fretico, Modelo KL010. Cortesa de Grobers.

Las caractersticas y velocidad del movimiento depende del tipo de proceso, pendiente de la ladera, contenido de agua de los materiales, etc. Los datos de velocidad son necesarios para el diseo de medidas correctoras o mitigadoras. Las medidas de los desplazamientos y de la velocidad del movimiento puede llevarse a cabo mediante instrumentacin en superficie y en profundidad.

Procesamiento de datos obtenidos de un inclinmetro

Los valores de la velocidad, es decir de los desplazamientos en funcin del tiempo, permiten tambin conocer la evolucin de los procesos y en determinados casos, prever el desenlace de la rotura. Los piezmetros (Foto No 5) proporcionan la situacin de los niveles piezomtricos y las presiones de agua en los niveles en que se han instalados. Para conocer las presiones actuando sobre la superficie de rotura, stos deben instalarse en el plano de deslizamiento o inmediatamente encima.

Sensor del nivel de presin, modelo OTT PLS. Cortesa de Grobers, S.A.

SISTEMA DE ALARMAS

Consiste en la instalacin de diversos sistemas o instrumentos, en superficie o en profundidad, con la finalidad de detectar movimientos o medir determinados parmetros relacionados con los movimientos. Los ms frecuentes son: - Instalacin de inclinmetros y piezmetros en deslizamientos o en laderas cuya inestabilidad supone riesgos importantes (por ejemplo, en zonas urbanizadas) - Instalacin de redes de cables en laderas rocosas con peligro de desprendimientos.

Instalacin de un Magnetic Probe Extensometer. Cortesa de EYE

En el primer caso deben ser establecidos los valores tolerables (de desplazamientos en caso de inclinmetros o altura del agua en los piezmetro) a partir de los cuales se considera que los movimientos son peligrosos o que se puede producir la aceleracin de los mismos. Es muy importante realizar correctamente la toma de datos, preferiblemente automtica, y la interpretacin de las medidas obtenidas, y las decisiones deben basarse en juicios expertos. En base a las medidas de los niveles piezomtricos pueden establecerse correlaciones con las precipitaciones, lo que ayuda a definir los niveles o umbrales de alarma, en relacin a precipitaciones mximas horarias o diarias o precipitaciones acumuladas durante das o semanas.