dise;o de taludes

8/14/2019 Dise;o de Taludes

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Geomecnica aplicada a la pequea minera

Curso - Proyecto CYTED XIII - 3 - Junio 2005 - Crdoba - Argentina

Tema V.DISEO DE TALUDES

Roberto Watson Quesada.Ingeniero Gelogo, Profesor del Instituto Minero metalrgico de MOA, Cuba

Introduccin

Para el diseo de cualquier explotacin a cielo abierto es necesario contar con la modelizacingeolgica 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 perspectivosen las diferentes etapas en el desarrollo de la explotacin, as como la definicin del mtodo deexplotacin y la seleccin de la maquinaria a utilizar.Un aspecto de extrema importancia para el armnico desarrollo de los trabajos mineros es elque est relacionado con la estabilidad de sus contornos, ya que garantizan la seguridaddurante la explotacin, en el perodo de cierre y, en el uso posterior de los espacios creados porla explotacin.Los elementos del contorno de la cantera son: Los bordos, su profundidad o altura deexplotacin, los bancos, compuestos por las plazoletas, altura de banco, ngulo de talud delbanco, 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 conun volumen de informacin, que caracterice al macizo rocoso y su comportamiento en eltiempo, para poder tomar las decisiones de diseo que garanticen la seguridad y economa dela cantera. Esta informacin la podemos agrupar de la siguiente forma:

Modelo geolgico del yacimiento Propiedades del macizo rocoso Caractersticas hidrgeolgicas 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 incluidosen cada una de las carpetas de informacin necesaria.

MODELO GEOLGICO

Recoleccin de Informacin Geolgica tanto en soporte electrnico o papel: La disponibilidadde un modelo geolgico es fundamental. Estos Modelos Geolgicos son ms efectivos cuando

se confeccionan en tres dimensiones con el empleo de programas profesionales comoVULCAN, GEMCOM, etc. Los modelos permiten visualizar en tres dimensiones la geologa,geologa estructural, distribucin de leyes, distribucin de agua subterrnea y toda lainformacin geomecnica existente y disponible (RQD, RMR, Q, etc.). Con la automatizacindel diseo se facilita utilizar la interface de Modelos Geolgicos con Modelos de Anlisis deEstabilidad.


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DETERMINACIN DE LAS PROPIEDADES DEL MACIZO ROCOSO

Es el aspecto que constituye el mayor problema, en el anlisis de estabilidad de taludes y, latoma de decisiones para el diseo de la estrategia de explotacin de la cantera. Se tendr encuenta 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 yutilizar los clculos retroactivos para verificar si los parmetros asumidos en el criterio de fallason 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 elmacizo rocoso. La medicin y el control de los niveles freticos es importante durante toda lavida de la cantera. El modelo geolgico debe incluir la informacin del nivel fretico, sus fuentesde 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 impactosobre la resistencia del macizo rocoso y, por lo tanto, su estabilidad.Durante el mapeo geolgico se deben identificar zonas de alteracin mostrando sus grados ytipo de alteracin. El mapeo geolgico debe precisar el efecto de la alteracin en la resistencia ycalidad de los macizos rocosos. Para definir la alteracin se debe utilizar la observacin decampo, complementada por investigaciones geofsica y ensayos de laboratorio.

ESFUERZOS IN-SITU

Los taludes de forma convexa (salientes) son menos estables que los taludes cncavos debidoa la falta de confinamiento en los primeros. El efecto del desconfinamiento es usualmenteignorado. 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 producefallas en la zona, que causan inestabilidad en los mismos. En contadas ocasiones se realizanmediciones de esfuerzos in situ para diseo de taludes, siendo una practica poco comn encanteras, 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 dela voladura se produce debido a los esfuerzos dinmicos inducidos que resultan en el procesode 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 unaapreciacin real del macizo rocoso.El efecto de la rotura o fragmentacin producida por la voladura debe ser tomado en cuentadurante el mapeo geotcnico, para valorar en que medida es afectada la calidad del macizorocoso.

II - Criterios para el diseo de los taludes

La estabilidad de los taludes en una explotacin a cielo abierto tiene una gran importancia parala seguridad y efectividad econmica de la misma por lo que debe ser considerada desde elinicio del proceso de diseo.


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Los aspectos ms importantes que afectan la seguridad en los frentes y operaciones son lossiguientes:

o Cada o deslizamiento de rocas sueltaso Colapso parcial de un bancoo Colapso general de un bordo de la cantera.

Las recomendaciones para el control y eliminacin de los riesgos son la adopcin de lassiguientes medidas:

o Diseo adecuado de bancos y plataformas para retener los desprendimientosde materiales.

o Determinacin y mantenimiento adecuado de taludes generales seguros.o Control en las proximidades del talud, para reducir los daos en el macizo.o Aplicacin de sistemas de drenaje en los macizos para reducir las tensiones

originadas por el agua.o 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 implicanuna caracterizacin del macizo rocoso a partir de los siguientes factores:

o Sistemas de juntas y discontinuidadeso Relacin de estos con las superficies de los frentes, taludes y los posibles

planos de rotura.o Parmetros resistentes de las juntas, las caractersticas y propiedades de sus

superficies, as como los materiales que los rellenan.o Propiedades geotcnicas de la matriz rocosa.o Caractersticas hidrogeolgicas y las presiones de agua en las juntas y

fracturas.o Efecto de las vibraciones sobre los macizos.

Es necesario sealar las formas de rotura que se producen a partir de los datos registrados porla practica internacional.En el caso de taludes rocosos, las superficies de rotura pueden producirse a partir de lasdiscontinuidades preexistentes en el macizo. Se puede aplicar un mtodo grfico paraidentificar las situaciones en los que, cinemticamente, son posibles ciertos tipos de rotura. Lautilizacin de los mtodos grficos permite detectar los sectores de la explotacin que sonsusceptibles a la produccin de roturas y as, dirigir las acciones de reconocimiento hacia laszonas mas criticas.

En el caso de macizos poco cohesionados del tipo suelo, la experiencia ha demostrado que lasroturas son del tipo circular. En los macizos rocosos muy fracturados y, donde esta semanifiesta de forma aleatoria o, donde el talud general vara con respecto a la estructura, lassuperficies de rotura son ms complejas; pudiendo ser compuestas y formadas parcialmentepor discontinuidades prximas a la superficie de deslizamiento y, por otro lado, por factoresnuevos en la roca intacta.

En el caso de una fracturacin intensa el grado de imbricacin de bloques y sus posibilidadesde 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 nodeformables) se pueden aplicar para los diferentes tipos de roturas indicadas.


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En geotcnia, el riesgo de colapso de un talud se mide en trminos del llamado coeficiente deseguridad FS, que es la relacin entre el conjunto de los esfuerzos resistentes o estabilizadoresy los desestabilizadores que provocan la rotura del talud. La relacin de un factor FS mayorimplica 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:

o Posible existencia de caractersticas geolgicas y estructurales del talud, queno han sido detectadas en el estudio geotcnico.

o Los posibles errores en los ensayos para caracterizar al macizo.o La heterogeneidad y anisotropa presente en el macizo.o La determinacin y variabilidad de las presiones de agua en el talud.o Los errores derivados de las supuestas superficies de rotura utilizadas.o Los errores en los clculos.

Los valores que se adoptan en la prctica varan en funcin de las consecuencias queresultaran de su colapso, y del nivel de confianza en los datos utilizados. La experienciainternacional, 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 parataludes cuya estabilidad no se considere a largo plazo, Como es el caso de los taludes de losfrentes de trabajo que en ocasiones se trabajan con FS= 1. Por el contrario si las condicionesson criticas o estamos ante los contornos finales FS puede tomar valores de 1,5 a 1,6, aunquedependiendo del tipo de roca, de sus propiedades reolgicas y del grado de alteracin con eltiempo, 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 siguienteexpresin:

( ) PPP

PPp

CosVCosSenW

TanSenVUSenCosWCAF

++

=

Donde

( )

2

2

2

2

1

2

1

12

1

sec

1

WW

WW

rP

P

PP

ZV

AZU

fCotCoth

ZHW

CoZHA

TanCotHZ

=

=

=

=

+=


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SiendoH Altura del talud. Angulo del talud del banco P Angulo del plano de rotura (Rotura plana)

- Densidad de la roca

W Densidad del agua

- Aceleracin ssmicaZ Altura de la grieta de traccinZW Altura del agua en grietas de traccin - Angulo de rozamientoW Peso del bloque deslizante

En las explotaciones a cielo abierto el coeficiente de seguridad se recomienda obtenerlo paradiferentes pendientes del bordo final. Segn sea la estructura geolgica de los macizos, lasvariaciones de FS con el talud pueden ser lineales o no. En la practica se presentan dos casosdistintos: En el primero, se trata de un macizo homogneo, donde el tipo de rotura no estadeterminado por las discontinuidades, los valores de FS dependen de la altura del talud y sungulo; 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 locual puede ocurrir que, por debajo de valores limites de ngulo de talud, exista la posibilidadcinemtica de deslizamiento. Esto se explica por que el valor de FS puede disminuirdrsticamente 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 plantarectilneo, sin tener en cuenta la curvatura del hueco. En la prctica, se ha comprobado que lostaludes con superficies convexas son ms inestables que los cncavos. En estos ltimos, esposible 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 clculobidimensional puede aumentarse 10 grados mientras que, si el talud es convexo, habr quedisminuirlo en esa misma magnitud.

Una vez definidas las pendientes estables de los bordos finales (taludes generales finales) sepasa a estudiar la geometra de los bancos. En dependencia de la configuracin de los taludesy su orientacin relativa respecto a la estratificacin o familias de discontinuidades dominantes,es posible clasificar las diferentes situaciones de los bancos para su diseo

o Zonas en las que la estratificacin esta inclinada hacia la superficie del taludcon un ngulo inferior a 25 grados, no deben ocurrir inestabilidades nideslizamientos importantes.

o En el caso de taludes sin bermas ni plazoletas de trabajo, donde la pendientecoincida con un ngulo no superior a los 50 grados, no deben producirsedeslizamientos.

o Los bancos con ngulo de talud de 50 a 90 grados coincidentes con los planos

de estratificacin deben manifestar deslizamientos o roturas por pandeo deestratos.o En el caso que los bancos corten los estratos o discontinuidades con

buzamiento opuesto a la direccin de su desarrollo, en el talud o frente esposible que ocurran desprendimientos de rocas por vuelco de estratos.

o En los lugares donde la estratificacin sea opuesta a la direccin del hueco dela cantera y los bancos cortan las discontinuidades con buzamiento opuesto, eltalud estar sometido a roturas escalonadas.


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o En los bancos que cortan las discontinuidades con orientacin oblicuas altalud, aparecern roturas por cuas

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

Para macizos homogneos.

2

2

2

max

=

Sen

CosSenKH

Donde:H altura del talud (Profundidad de las canteras o altura del frente) - ngulo del taludEl paso de estabilidad m toma valores de 1,5 a 3,0Siendo:

mC

mKK == max

tgfm

fartg == ;

Dependencia entre los parmetros geomtricos del bordo de la cantera.

( ) nniiin

i

i

n

i

hhb

h

B

H

tg

cotcot

1

1

++

===

=

Donde:

ih - Altura del banco, m

- ngulo del talud del bancobi - Ancho de la berma , mn - Numero de bancosPara el caso en que la altura de los bancos, el ngulo de los taludes de los bancos y el anchode las plazoletas o bermas sea constante, entonces .

( )bnhn

hntg

1cot += Los resultados obtenidos a travs del anlisis geomtrico son comparados con los obtenidospara asegurar un factor de seguridad que garantice la estabilidad de los frentes de trabajo y delos bordos de la cantera.Es importante tener definicin de la posible falla de talud, para establecer el sistema demonitoreo mediante la medicin de las deformaciones, presiones y niveles de agua. Tomar las


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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 ysu 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).

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