ANALISIS GEOTECNICO DEL MACIZO ROCOSO.

El análisis de estabilidad incluye los taludes de corte potencialmente inestables de la sección más crítica de diseño, de la explotación minera para el expediente 940-15, ubicado

en las inmediaciones de la ciudad de Tunja-Boyacá. Los análisis comprendieron diferentes escenarios, generados luego de la definición de los factores y el grado de influencia de estos en la ocurrencia de inestabilidad. Para este caso, estos factores están relacionados con la

naturaleza de los materiales (areniscas y arcillas) y su disposición en el terreno, presencia de fisuras que contribuyen al ablandamiento del material, factores morfológicos como los

tipos de depósitos y la pendiente del terreno y factores de orden menor como ambientales y antrópicos. Además no hay que dejar de lado la actividad sísmica, debido a que las vibraciones sísmicas implican un cambio transitorio en los esfuerzos actuantes en los

taludes, con una componente horizontal que desestabiliza y una componente en diversas direcciones que incrementa la presión de poros y tiende a disminuir la cohesión de los

materiales. Por lo anterior se desarrollaron análisis en condiciones estáticas y pseudoestáticas, teniendo en cuenta una aceleración horizontal de 0.30g – Zona de Amenaza Sísmica alta,

correspondiente a la ciudad de Tunja de acuerdo con la Norma Colombiana de Diseño y Construcción Sismo – Resistente, NSR98. Para el cálculo de la estabilidad se empleó

básicamente el programa Slide Model - Versión: 5.033 que es un desarrollo de Rocscience Inc. (Toronto-Canadá). El método utilizado es el simplificado de Bishop para falla de tipo Traslacional, teniendo en cuenta las orientaciones de las familias de discontinuidades del

macizo rocoso. Además, con el fin de evaluar la estabilidad de cuñas superficiales en taludes en roca, definidas por dos familias de discontinuidades cortantes, la orientación del

talud y los esfuerzos de tracción del mismo. Para tal fin se utilizo el Software SWEDGE - Versión: 4.0 que es un desarrollo de Rocscience Inc. (Toronto-Canadá), utilizando análisis deterministicos (Factor de Seguridad para falla por cuña).

Por lo general los materiales de la zona se encuentran en una condición de saturación

parcial, con humedades que varían entre 1.66 y 2.032%. Este efecto hace que los materiales generen presiones de succión intermedias, de manera que exhiben buenas características de resistencia, sin embargo la pérdida de succión por efecto de saturación causa un

ablandamiento en el material, aumentando la probabilidad en la ocurrencia del fenómeno.

Análisis de Discontinuidades.

Para el análisis sistemático de las discontinuidades del macizo rocoso se levantaron

diaclasas en los afloramientos de la formación Cacho, que permitieron determinar la concentración de polos, familias predominantes y esfuerzos principales, utilizando el

Software Dips desarrollado por Rocscience Inc. (Toronto-Canadá). Las diaclasas en el macizo de areniscas yacentes en el área, poseen una separación de 60mm a 2.0 m, con abertura mayor a 0.10cm, de superficies plana rugosa, sin presencia considerable de relleno.

Tabla Nº 1.

Tabla 1. Análisis estadístico del levantamiento de discontinuidades

El análisis determinó la existencia de 3 familias de discontinuidades predominantes, siendo

la familia principal la que presenta una dirección N 40º W, con inclinación 70º SW.

Figura 1. Concentración de polos y familias de discontinuidades.

Figura 2. Diagrama de Rosetas de la orientación de discontinuidades

Tabla 2. Orientación de las principales familias de discontinuidades.

Familia

Orientación

Rumbo Buzamiento Dirección de

Bto.

1 N40W 70SW 230

2 N47E 65NW 317

3 N57W 81SW 213

Estas familias de discontinuidades conllevan a que el macizo pueda fallar ante un esfuerzo exterior en cuña, es muy importante el análisis de esta situación pues ante un evento sísmico se puede generar la falla progresiva del macizo rocoso, razón por la cual se realizó

el análisis de estabilidad del macizo descrito más adelante.

Ensayos Laboratorio.

Teniendo en cuenta las condiciones estratigráficas de la roca explorada, se realizó un programa de ensayos de clasificación y resistencia en los laboratorios de la UPTC que

incluyo: (Tabla 3)

Angulo de reposo Carga por punta

Peso Unitario Compresión simple Compresión inconfinada

Corte directo Limites de consistencia

Propiedades físicas humedad

Tabla 3. Resultados ensayos geotécnicos expediente 940-15

MUESTRA

DE

ARENISCA

Angulo

de

Reposo(º)

Pesos Unitarios Resistencia

Compresión simple

Mpa.

Humedad

% Húmedo

(gr/cm³)

Seco

(gr/cm³)

940-M1 32.03508 2.6032 2,278 12.36 1.664

Fuente: Datos del estudio, obtenidos en laboratorio.

MUESTRA

DE

ARCILLA

Corte

Cohesión

(Kgf/cm2)

Inconfinada

Cohesión

(Kgf/cm2)

Pesos Unitarios

’ (º) húmedo

(gr/cm³)

Seco

(gr/cm³)

940-M2 1.765 0.4812 2.58 1.887 19.39206

En la determinación de la cohesión y el ángulo de fricción para la arenisca se utilizó el programa Roclab, que permite a partir del análisis de discontinuidades y ensayos de

laboratorio determinar estos parámetros, obteniéndose un ángulo de fricción de 34.15º grados y una cohesión de 0,292 Mpa. (Figura 3)

Figura 3. Calculo de la cohesión y ángulo de fricción interna expediente 940-15

Descripción del material

En el área de estudio las rocas presentes son de tipo sedimentario, Areniscas, de color

habano en superficie fresca, y de coloración amarillenta en superficie alterada, debido a agentes meteorizantes; los contactos entre bloques son longitudinales, formados por cuatro familias de discontinuidades. El macizo presenta unas intercalaciones arcillosas de color

pardo-rojizo, las cuales pueden constituir las potenciales superficies de falla. Es importante

tener en cuenta que el buzamiento de estas intercalaciones se presenta en contrapendiente,

lo cual geotécnicamente hablando es favorable. Figura 4.

Figura 4. Frente de explotación formación cacho.

Clasificación Geomecánica del Macizo Rocoso.

ÍNDICE DE CALIDAD NGI (Q). Para el análisis geomecánico del macizo, se utilizó la clasificación de Barton, Lien and Lunde (índice de calidad ngi), ya que la gran cantidad de

información que contienen las tablas hace que esta clasificación sea más práctica, donde los parámetros jn, jv y ja, parecen tener más importancia que el de la orientación ya que la cantidad de fisuras determina el grado de libertad de movimiento para el bloque.

El índice Q está basado en una evaluación numérica de seis parámetros dados por la siguiente expresión:

SRF

Jw

Ja

Jr

Jn

RQDQ

Donde:

Jn

RQD Representa el tamaño de los bloques.

Ja

Jr Equivale a la resistencia al corte entre bloques.

SRF

Jw Indica el estado tensional en el macizo rocoso.

RQD. (Índice de calidad de la roca de Deer). Se determino mediante el parámetro Jv, que representa el número total de discontinuidades que interceptan una unidad de volumen

(1m3) del macizo rocoso. Ante la dificultad de observar tridimensionalmente un afloramiento, el valor de Jv se suele determinar contando las discontinuidades de cada

familia que interceptan una longitud determinada, midiendo perpendicularmente a la dirección de cada una de las familias. El valor de Jv se obtiene de la siguiente formula:

Jv=∑ (nº de discontinuidades /longitud de medida)

Jv = 6.6

El valor Jv se relaciona con el tamaño de los bloques en el macizo con lo que se deduce que este presenta bloques de tamaño medio según la tabla 4:

Tabla 4. Descripción del tamaño del bloque en función del número de discontinuidades.

La longitud a medir dependerá del espaciado de cada familia, variando normalmente entre

5 y 10 metros. Para hallar el valor de RQD se utilizo la siguiente formula:

RQD = 115-3.3 Jv = 115 – (3.3*6.6)

RQD = 93.22

De forma más rápida pero menos exacta, puede estimarse el valor de Jv hallando la

frecuencia de discontinuidades (), de donde:

= numero de discontinuidades / L (mts)

= 4.33

Con esta frecuencia de discontinuidades se puede hallar el valor de RQD con la siguiente

formula: RQD= 100e-0.1(0.10+1) pero como se menciono anteriormente este valor no

tendria tanta confiabilidad.

RQD= 100e-0.1(0.10+1) =100e-0.1*4.33 (0.10*4.33+1) = 92.94 se asemeja mucho al valor

encontrado con el termino Jv.

Jn - Numero de familias de diaclasas. Para la zona se determinó que existen tres familias

de diaclasas y algunas diaclasas aleatorias y se le dio una valoración de 12.

Jr - Rugosidad de las diaclasas. Este valor depende también de la presencia de relleno y del tamaño de las diaclasas. Para la zona se determinó que la rugosidad de las diaclasas es

plana, rugosa con una valoración de 1.5.

Ja - Meteorización de las diaclasas. Planos de discontinuidad ligeramente alterados,

presentan minerales no reblandecientes, partículas arenosas, roca desintegrada libre de arcilla con una valoración de 2.0

Jw - Coeficiente reductor que tiene en cuenta la presencia de agua. La zona presenta

una excavación seca o de influencia poco importante, es decir; localmente, con una valoración de 1.

SRF - “Stress Reduction Factor” factor dependiente de las tensiones. Se clasificó como una zona de fractura aislada de roca competente. Con valoración de 2.5

Parámetros establecidos para el análisis del macizo rocoso.

RQD Jn Jr Ja Jw SRF

93.22 12 1.5 2.0 1 2.5

SRF

Jw

Ja

Jr

Jn

RQDQ

Q= 93.22 * 1.5 * 1 12 2 2.5

Q= 2.33

Determinándose que el índice de calidad Q, para el área de estudio es de 2.33. Clasificándose como un macizo rocoso de calidad media (Tabla 5).

Tabla 5. Clasificación de Barton de los macizos rocosos. Índice de calidad Q.

TIPO DE ROCA VALOR DE Q

Excepcionalmente mala

Extremadamente mala

Muy mala

Mala

Media

Buena

Muy buena

Extremadamente buena

Excepcionalmente buena

10-3 – 10-2

10-2 –10-1

10-1 – 1

1 – 4

4 – 10

10 – 40

40 – 100

100 – 400

400 – 1000

Fuente: Excavaciones subterráneas en roca, Hoek Brown.

Análisis de Estabilidad Geotécnica.

Considerando los resultados de los ensayos geotécnicos y teniendo en cuenta el levantamiento topográfico realizado, se elaboró el modelo geológico-geotécnico del área.

En general se trata de un área, que involucra rocas clasificadas como areniscas.

Para el cálculo de la estabilidad se analizaron dos diferentes mecanismos de falla, teniendo en cuenta las características físicas del macizo rocoso. En el primero se analiza un mecanismo de falla de tipo traslacional debido a la orientación y grado el alteración de las

discontinuidades. En el segundo se analiza un mecanismo de falla por cuña, teniendo en cuenta las características de orientación de las discontinuidades.

Mecanismo de falla transicional.

El mecanismo de falla de tipo traslacional se modela teniendo en cuenta la orientación y el grado de alteración de las discontinuidades, analizando los materiales que conforman el

área, con la sección geológico-geotécnica A-A’, cuyo lineamiento se presenta en la Figura

5.

Figura 5. Ubicación del perfil Geológico-Geotécnico A-A`. Para Análisis de Estabilidad. Escala Adimensional

Se generaron análisis para los potenciales mecanismos de falla a lo largo del perfil A-A`,

cubriendo así toda la masa de suelo en la que pueda generarse la inestabilidad de los taludes y ladera en general, estableciéndose que el área se considera geotécnicamente estable, representada por factores de seguridad de 1.963 en condiciones estáticas y mayor a 1.00 en

condiciones dinámicas lo que garantiza la estabilidad del macizo rocoso.

Escenario de análisis FS- Mecanismo de Falla

Sin Terraceo (Actual)

Sección A - A` Condiciones más Criticas 1.005

Condiciones Favorables 1.963

Tabla 6. Factores de seguridad obtenidos en el análisis de estabilidad. Corte A-A´

Figura 6. Análisis en condiciones favorables. FS= 1.963

El escenario que representa el Factor de Seguridad más bajo se presenta en condiciones

críticas sin terraceo, con un coeficiente sísmico de 0.3 y una total saturación del macizo. Por lo anterior se garantiza la estabilidad Geotécnica en las peores condiciones, representado por valores de FS = 1.005, los cuales son mayores al equilibrio limite (1.00).

(Figura 7).

Figura 7. Análisis en condiciones criticas. FS=1.005

Mecanismo de falla en cuña:

Para saber si el macizo rocoso tiene la posibilidad de fallar en cuña, se debe cumplir una serie de condiciones con respecto al buzamiento y a la dirección, tanto de las discontinuidades como del talud. Estas condiciones están representadas en la siguiente tabla

(tabla 7):

Se define la intersección entre cada una de las estructuras Cuña 1: familia 1 y familia 2 Cuña 2: familia 2 y familia 3

Cuña 3: familia 1 y familia 3

Estructura

CONDICION 1 CONDICION 2 CONDICION 3 CONDICION 4

Orientación / Inclinación

intersecta cara del talud Beta mayor Alfa Alfa mayor a Fi Tolerancia + - 20

Cuña 1 61/278 SI 61 mayor 60 SI 60 Mayor 34.15 SI 278 (253-293) SI

Cuña 2 62/286 SI 75 Mayor 62 SI 62 Mayor 34.15 SI 286 (253-293) SI

Cuña 3 54/291 SI 81 Mayor 54 SI 54 Mayor 34.15 SI 291 (253-293) SI

Tabla 7. Condiciones para evaluar mecanismo de falla por cuña.

El mecanismo de falla por cuña se realizo teniendo en cuenta las características de orientación de las discontinuidades, se propuso con el fin de evaluar la estabilidad de cuñas

superficiales en taludes en roca, definidas por dos familias de discontinuidades cortantes, la orientación del talud y los esfuerzos de tracción del mismo. Para tal fin se utilizo el Software SWEDGE - Versión: 4.0 que es un desarrollo de Rocscience Inc. (Toronto-

Canadá), utilizando análisis deterministicos (Factor de Seguridad para falla por cuña). Figura 8.

Figura 8. Análisis de estabilidad para mecanismos de falla por cuña.

La esquematización de la cuña formada por las discontinuidades cortantes y e l buzamiento

del talud se pueden esquematizar en la estéreoneta para tener otra visualización de la posible falla por cuña. Figura 9.

Figura 9. Esquematización de la cuña

E análisis determino que para condiciones estáticas el macizo representa un F.S de 1.90269

y para condiciones dinámicas con un coeficiente de sismicidad de 0.30 propio para la zona, el F.S es de 1.413, lo cual indica que el macizo es geotécnicamente estable aun con sismo,

sin embargo si se incrementan los esfuerzos, o experimenta un cambio abrupto en la presión de poros, la inestabilidad será latente en condiciones dinámicas

En general ninguno de los análisis modelando la explotación minera arrojo factores de seguridad inferiores al equilibrio límite (< 1.000), para escenarios en donde los potenciales

mecanismos de falla afecten la ladera a nivel global, razón por la cual se concluye que las labores mineras proyectadas en este sector no representan mayor amenaza en la estabilidad del sector, geotécnicamente hablando