control de caídos y deslizamientos en roca

Capítulo 10

Control de Caídos y Deslizamientos

en Roca

Figura 10.1 Esquema de los sistemas de refuerzo de un macizo de roca.

Los caídos de roca representan una de las amenazas que producen un mayor riesgo para la integridad de las personas, especialmente en las vías de comunicación. Igualmente, en la industria minera se requiere manejar los taludes en roca para controlar los riesgos inherentes a los deslizamientos masivos de los macizos rocosos y los caídos de bloques de roca.

El control de caídos y deslizamientos de roca está destinado a disminuir los niveles de riesgo y existe una gran cantidad de tecnologías de estabilización y de manejo de las amenazas y riesgos en los taludes en roca (Figura 10.1). Con un buen diseño basado en un análisis racional, se pueden minimizar las amenazas para obtener un nivel de riesgo determinado.

lb

lf

Concreto dental y perno

Anclas pre-tensadas para

sostener la cabeza del macizo

Muro anclado para sostener el

cuerpo del talud

Concreto

dental armado

Subdrén horizontal para

interceptar corrientes de agua y

reducir la presión de poros

Concreto dental y perno para

rellenar cavidad

Bulbos

Zanja

Malla para

detener bloques

Muro alcancía

Geotecnologia

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DESLIZAMIENTOS: TECNICAS DE REMEDIACION JAIME SUAREZ www.erosion.com.co

314 DESLIZAMIENTOS - TÉCNICAS DE REMEDIACIÓN

En el presente capítulo se explican las metodologías de análisis y los criterios para seleccionar y diseñar las medidas de estabilización y control de caídos y deslizamientos de roca. Inicialmente se presentan los procedimientos para evaluar las amenazas, después se explican los mecanismos de los diversos tipos de falla y finalmente se indican los métodos de diseño de las diversas tecnologías para el manejo y/o estabilización de los deslizamientos y caídos de roca.

MECANISMOS DE FALLA

La falla de los taludes en roca en la mayoría de los casos está controlada por la estructura de su sistema de discontinuidades. Dependiendo de la escala de las discontinuidades del macizo de roca puede ocurrir una falla localizada de bloques inestables que involucre volúmenes pequeños de material o fallas en gran escala que afecten taludes completos.

Para el análisis de fallas en macizos de roca se recomienda utilizar el siguiente procedimiento:

•Determinar los grupos de juntas más “significativos”, evaluando su valor relativo dentro de la familia de las juntas, en cuanto a posibilidad de ocurrencia de un movimiento (Figura 10.2).

•Para cada grupo determinar su orientación, buzamiento, espaciamiento, persistencia, abertura, resistencia al corte, etc.

Figura 10.2 Efectos de los grupos de juntas.

•Estudiar por medio de bloques en el espacio las diversas posibilidades de ocurrencia de fallas.

•Hacer el análisis de estabilidad de cada uno de los bloques identificados.

Una masa de roca fracturada es altamente anisotrópica con respecto a su resistencia al corte. Una combinación progresiva de grupos de juntas es un problema complejo por la dificultad que existe para definir una superficie de falla, que puede vincular varios grupos diferentes de discontinuidades.

Se debe estudiar en todos los casos, la posibilidad de ocurrencia, no sólo de fallas al corte sino fallas por volteo y fallas de grupos de bloques. En estos casos el Ingeniero o Geólogo debe estudiar la estabilidad del talud en el espacio en tres dimensiones.

Mecánica de los Deslizamientos y Caídos de RocaEl modo de falla de un talud en roca depende principalmente de las características de las discontinuidades o estructura de la roca, entre las cuales deben analizarse las siguientes:

•Presencia de familias de discontinuidades.

•Orientación de los grupos de discontinuidades con relación a la fachada del talud.

b) Dos grupos de juntasa) Un grupo de juntas c) Tres grupos de juntas

Corona del talud

Plano 1

C

D

Talud

BPlano 2

A

2

1

3

( falla de cuña ) ( falla en escalera)

315CONTROL DE CAÍDOS Y DESLIZAMIENTOS EN ROCA

•Espaciamiento de las discontinuidades en las tres dimensiones.

•Resistencia al cortante de las paredes de las discontinuidades.

•Persistencia de las discontinuidades.

La tabla 10.1 indica los modos individuales de falla que pueden ocurrir en macizos de roca fracturada.

La falla planar, en cuña e inclinación o volteo depende de la interacción de la orientación de las discontinuidades, la orientación de la fachada y de la resistencia al cortante de las discontinuidades.

Tabla 10.1 Modos de falla de macizos de roca fracturada.

Modo de Falla Descripción Observaciones

Planar

Discontinuidad buza hacia la fachada del talud con un buzamiento mayor que el ángulo de fricción de la discontinuidad.

Al desconfinar lateralmente un macizo puede desplazarse una masa de roca sobre una discontinuidad.

Cuña

La línea de intersección de dos discontinuidades buza hacia la fachada del talud, con un buzamiento significativamente mayor que el ángulo de fricción de las discontinuidades.

Generalmente, son movimientos muy peligrosos, debido a que las superficies de deslizamiento poseen altas pendientes.

CircularLa roca es blanda o extremadamente fracturada.

Cuando el patrón de discontinuidades es aleatorio (no hay familias), las fallas son muy parecidas a las de un talud en suelo.

Inclinación

Bloques esbeltos tabulares columnares formados por discontinuidades de alta pendiente con discontinuidades basales, con un buzamiento menor que el ángulo de fricción de la discontinuidad.

Generalmente, requiere de tres sets de discontinuidades orientadas en tal forma que los bloques que se forman se encuentran semiparalelos a la fachada del talud.

FlexiónGrupos de discontinuidades de alta pendiente con espaciamientos muy cercanos.

Con frecuencia se produce un movimiento gradual a una distancia de hasta cinco veces la altura del talud.

CaídoBloques sueltos que pueden volcarse o deslizarse por caída libre a saltos o rodando.

Se pueden predecir las trayectorias de los bloques, utilizando programas de software.

La geometría de los grupos de discontinuidades generalmente controla el comportamiento del talud, el cual puede identificarse utilizando la cinemática.

Construyendo una serie de estereofalsillas

(“Overlays”) que se utilizan con el diagrama de concentraciones de polos, se pueden identificar bloques potencialmente inestables relacionados a diferentes modos de falla. Al construir la estereofalsilla se utiliza un procedimiento muy simple para definir la resistencia al cortante de las discontinuidades. En este procedimiento se ignoran las cargas estáticas y dinámicas externas y la presencia del agua.


FALLAS PLANARES La falla planar es la falla por desplazamiento de la roca sobre una discontinuidad. En una falla planar una masa o un bloque de roca se mueve a lo largo de una superficie planar basal. Esta falla se puede analizar como una superficie recta. Debe analizarse la proporción de discontinuidad intacta, separada o rellena y las propiedades de fricción y cohesión a lo largo de cada sector homogéneo de discontinuidad.

Para que ocurra este tipo de deslizamiento debe existir una discontinuidad que conforme una superficie de falla suficientemente larga. Además, la discontinuidad debe aflorar sobre la superficie del talud. A mayor espesor de roca considerada la probabilidad de ocurrencia es menor (Giraud y otros, 1990). Por esta razón los deslizamientos profundos no son comunes en taludes en roca.

El tipo de falla planar corresponde a mecanismos traslacionales y ocasionalmente rotacionales a lo largo de superficies estructurales más débiles, donde la resistencia al cortante es menor y existe susceptibilidad al desplazamiento.

Figura 10.3 Esquema general de la falla planar.

Figura 10.4 Condicionantes que se deben cumplir para que ocurra falla planar en roca (Eberhardt, 2007).

N

A

Cabeza

del talud

Cara del talud

Dirección del

deslizamiento

Grupo de juntas A

Plano de

deslizamiento

Estribos

A

Grietas de tensión

Plano de

deslizamiento

Para deslizamientos

Cresta del talud

cara

B

B

A

A f

B f

B

A

f

S

fD φ

f D > φ


Figura 10.5 Análisis convencional de una falla planar.

Disminución de la Resistencia en las DiscontinuidadesA medida que se desarrolla el mecanismo de falla, la resistencia al cortante disminuye progresivamente en las discontinuidades por alguna de las siguientes razones:

•Se desarrolla deformación con un resultado de regresión de la resistencia pico a la resistencia residual.

•Ocurren fenómenos de meteorización, los cuales producen atenuación de las características de la resistencia a lo largo de la superficie de debilidad.

•El agua, al acumularse, genera presiones de poros, las cuales disminuyen la resistencia a la fricción.

•En eventos sísmicos se produce agrietamiento de los materiales, licuación de los materiales de relleno de las discontinuidades o desplazamientos por acción de las fuerzas sísmicas.

La generalización de los mecanismos anteriores a lo largo de la superficie de la discontinuidad termina en la falla (Figuras 10.3 a 10.6). En un determinado momento las condiciones de estabilidad dependen de cuánto ha progresado el bloque de macizo rocoso acercándose a la falla, lo cual equivale al grado de regresión que ha alcanzado la masa rocosa.

Esta falla puede avanzar especialmente a lo largo de superficies donde anteriormente ocurrieron deformaciones como las fallas geológicas o superficies antiguas de deslizamiento.

Cara del talud

Grieta de la

tensión

Superficie de

falla

Ancho de la

medida

Cara del talud

Grieta de la

tensión

Superficie de

falla

Ancho de la

medida

H V

U

W

pf

Zw

Z

b

s

V

U

p

Zw

Z

W

WT

H

f

a) Grietas de tensión arriba de la cabeza

b) Grieta de tensión abajo de la cabeza


Condiciones Para que se Presente Falla PlanaPara que el movimiento planar ocurra se deben satisfacer las siguientes condiciones básicas (Modificado de Matherson, 1983):

•El plano de la discontinuidad sobre la cual ocurriría el deslizamiento, debe tener una dirección aproximadamente paralela a la superficie del talud con un margen de ± 20º.

con la pendiente de la superficie.

•Las fronteras o límites laterales de la superficie a deslizarse, deben tener muy poca resistencia.

•No deben existir resistencias importantes laterales para el movimiento de la masa de roca.

•El plano de deslizamiento debe aflorar sobre la superficie del talud.

•El ángulo de buzamiento del plano de deslizamiento debe ser mayor que el ángulo de fricción de esta superficie.

•La cabeza o parte superior del deslizamiento debe interceptar la superficie del talud o terminar en una grieta de tensión.

Figura 10.6 Efecto del agua en la grieta de tensión.

Las condiciones límites descritas anteriormente pueden dibujarse sobre una estereofalsilla, la cual se utiliza con un diagrama de contornos de densidad de polos para identificar los planos de deslizamiento potencial.

En la figura 10.7 se muestra la construcción del diagrama sobre la estereofalsilla.

Análisis de la Falla PlanarUn análisis cualitativo de la estabilidad potencial puede hacerse superponiendo la estereofalsilla sobre un diagrama de polos del mismo diámetro, derivado de la medición en campo de las discontinuidades.

En forma simple, contando el número de polos dentro de la región definida se obtiene una medida semicuantitativa del potencial de falla, siempre y cuando las medidas tomadas en campo sean representativas.

Cuando se tienen los diagramas de densidad de polos, el valor máximo de densidad dentro de la región puede utilizarse de manera similar. Cuando no se conocen con precisión los ángulos de fricción de las discontinuidades, éstos se pueden aproximar de tablas de acuerdo al tipo de roca, con las limitaciones propias de estas tablas.

1400

1300

1200

1100

1000

900

800

0

Relación Zw

Z

Fa

cto

r de

se

guri

da

d

0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

F

D

FS


Para el análisis cuantitativo de la falla planar deben tenerse en cuenta algunas suposiciones dentro de las cuales se encuentran las siguientes:

•La masa de roca se mueve en forma paralela a la superficie de falla.

•Las grietas de tensión pueden ser verticales y pueden estar rellenas de agua hasta una determinada profundidad. En el análisis deben incluirse las fuerzas de presión del agua, tanto en las grietas de tensión, como en la superficie de falla (Figura 10.8).

•Todas las fuerzas actúan a través del centroide de la masa de deslizamiento. Se supone que no hay momentos que causen la rotación del bloque y por lo tanto, el deslizamiento es solamente de traslación.

Figura 10.7 Polos de planos de falla sobre la estereofalsilla para determinar la posibilidad de ocurrencia de falla planar (Matherson, 1983).

•La resistencia a la fricción de la superficie de falla está definida por la cohesión real o aparente C, el ángulo de fricción básico φb, el ángulo de rugosidad i, el coeficiente de rugosidad de la junta (JRC) y la resistencia a la compresión de la junta (JCS).

•Se desprecian las resistencias laterales sobre el bloque.

El procedimiento general para calcular el factor de seguridad se indica en la siguiente expresión:(Figura 10.5)

Los polos que caen en esta zona

muestran los planos de

superficies de fallas potenciales

Límites en la dirección

del buzamiento para

la superficie de falla

Angulode fricción

Inclinación de lacara del talud

Dirección de la cara del talud

p p

s

p p

cA W U VsenF

Wsen V

ψ ψ φψ ψ

+ − −=

+


Donde:

Para la grieta de tensión en la parte alta del talud:

FALLAS EN CUÑA

Un caso importante y común de falla en roca sucede cuando la intersección de planos de discontinuidad forma un vértice en dirección hacia fuera del talud. En la falla en cuña el movimiento ocurre en la dirección de la línea de contacto entre dos familias de discontinuidades.

En estos casos se puede producir una falla de una cuña, aún cuando los planos de discontinuidad sean independientemente estables. Generalmente, el buzamiento de la línea de intersección es inferior a las discontinuidades pero la dirección es hacia la superficie del talud. Condiciones Para que Ocurra Falla en CuñaPara que ocurra falla de cuña deben satisfacerse las siguientes condiciones básicas (Modificado de Markland, 1972) (Figura 10.9).

•La parte inferior de la línea de intersección entre los dos planos de cuña debe aflorar sobre la superficie del talud, arriba del pie.

•La parte superior de línea de intersección entre los dos planos debe interceptar la superficie del talud en su cabeza, arriba de esta o terminar en una grieta de tensión.

•El buzamiento de la línea de intersección debe exceder los ángulos de fricción de los dos planos de deslizamiento. Los esfuerzos de cortante deben superar la resistencia conjunta de los dos planos que conforman la cuña.

•El ángulo de inclinación del talud debe ser mayor que el ángulo de la línea de intercepción de los dos planos que conforman la cuña.

Las condiciones límite indicadas pueden dibujarse sobre una estereofalsilla (Figura 10.10), la cual es utilizada con un diagrama de las principales intersecciones de discontinuidades para identificar las cuñas potencialmente inestables.

Figura 10.8 Representación gráfica de las fuerzas que actúan sobre una masa de roca para el caso de una falla planar.

Pv

PhV

UW

K*W

WK*WUVPvPh

10 m

4 m

9.8m

35º

70º

80º

2.3

m

10º

28

m

Discontinuidad A

=Fuerza del sismo=Fuerza del agua en la superficie del deslizamiento

Discontinuidad B

=Peso propio del bloque

=Fuerza del agua en la grieta de tensión

=Fuerza vertical de la fundación=Fuerza Horizontal de la fundación

s p

A H b z ecψ ψ= + −

( )2

21

1 12

r p p f

zW H x

Hγ ψ ψ ψ

= − −

1

2 w w s p

U z H b z ecγ ψ ψ= + −

21

2w w

V zγ=


Análisis de la Falla en CuñaEl efecto de las variaciones en los ángulos de fricción o de los buzamientos sobre el diseño, requiere de un análisis conceptual del problema.

Debe tenerse en cuenta que ese análisis es cualitativo y no cuantitativo. Una evaluación semicuantitativa puede obtenerse teniendo en cuenta la importancia relativa de cada concentración de polos, la cual puede valorarse con base en la persistencia.

Figura 10.9 Esquema general de la falla de cuña.

Para el análisis de la falla en cuña debe tenerse en cuenta la situación en tres dimensiones. Como hay una gran cantidad de variables geométricas, el tratamiento matemático es muy complejo y en la práctica se requiere utilizar un programa de computador.

Los análisis de estabilidad de cuña son descritos por Hoek y Bray (1981) y Priest (1985). A continuación se presenta el análisis por el método simplificado de Hoek y Bray.

Cuña

Cara

del talud

Cara superior

del taludLínea de

intersección

Cresta del talud

Discontinuidad

Discontinuidad

1/2

Plano

2

Plano

1

φfi i

Plano B

1/2

Visión a lo largo de la línea

de intersecciónVisión perpendicular a la

línea de intersección

Dirección del

deslizamiento

fi iφ

Línea de intersección

Cabeza del talud

Cara del talud

Dirección del

deslizamiento

Grupos de juntas A y B

N

B

A

Plano A


En este método se asume que el deslizamiento es resistido solamente por la fricción y se ignoran las fuerzas externas.

El factor de seguridad está dado por la siguiente expresión:

Donde:

RA

y RB son las reacciones normales generadas

por los planos A y B. (Figura 10.9).

Los valores de las fuerzas R1 y R2 se obtienen resolviendo las componentes normales y paralelas a la dirección a lo largo de la línea de intersección, como se indica a continuación:

Figura 10.10 Construcción de un diagrama para análisis de fallas de cuña sobre una estereofalsilla.

Donde los ángulos β y ξ se definen en la figura 10.9.

Después de resolver para RA y RB:

Angulode fricción

Inclinación de la

cara del talud

Dirección de la

cara del talud

Las intersecciones que caen en esta

zona muestran los planos de

superficies de fallas potenciales

( )A B

s

i

R RF

Wsen

φψ

+=

1 1

2 2

1 1

2 2

A B

A B i

R sen R sen

R R W

β ξ β ξ

β ξ β ξ ψ

− = +

− + + =

( )2

i

A B

W senR R

sen

ψ βξ

+ =

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