Universidad Nacional de Cajamarca

Facultad de Ingeniera

Escuela Acadmico Profesional de

Ingeniera Hidrulica

TEMA:

MONITOREO E INSTRUMENTACION

GEOTECNICA EN ESTABILIDAD DE

TALUDES

ASIGNATURA : GEOLOGIA APLICADA

DOCENTE : Ing. Wilver Morales Cspedes

ALUMNO :

LLICN CENTURIN, Carlos Rolando

CICLO : VI

Cajamarca, Noviembre del 2012

INTRODUCCION

Se conoce con el nombre genrico de taludes cualesquiera superficies inclinadas respecto a la horizontal que hayan de adoptar permanentemente las masas de tierras. Se puede definir taludes como: Son las obra, normalmente de tierra, que se construyen a ambos lados de la va (tanto en excavaciones con terrapln) con una inclinacin tal que garanticen la estabilidad de la obra. Los taludes tienen zona de emplazamiento que comprende, adems de la va, una franja de terreno a ambos lados de la misma. Su objetivo es tener suficiente terreno en caso de ampliacin futura de la carretera y atenuar en gran medida, los peligros de accidentes motivados por obstculos dentro de dicha zona, los cuales deben ser eliminados. Cuando el talud se produce en forma natural, sin intervencin humana, se denomina ladera natural o simplemente ladera. Cuando los taludes son hechos por el hombre se denominan cortes o taludes artificiales, segn sea la gnesis de su formacin; en el corte, se realiza una excavacin en una formacin trrea natural, en tanto que los taludes artificiales son los inclinados de los terraplenes. Tambin se producen taludes en los bordes de una excavacin que se realice a partir del nivel del terreno natural, a los cuales se suele denominar taludes de la excavacin. No hay duda de que el talud constituye la estructura ms complejo de las vas terrestres; por eso es preciso analizar la necesidad de definir criterios de estabilidad de taludes entendindose, por tales algo tan simple como el poder decir en un instante dado cul ser la inclinacin apropiada en un corte o en un terrapln. A diferentes inclinaciones del talud corresponden diferentes masas de material trreo por mover y por lo tanto, diferentes costas. Los problemas relacionados con la estabilidad de laderas naturales difieren radicalmente de los que se presentan en taludes construidos por el ingeniero. Dentro de stos deben verse como esencialmente distintos los problemas de los cortes y los de los terraplenes. Las diferencias importantes radican, en primer lugar, en la naturaleza de los materiales involucrados y, en segundo, en todo un conjunto de circunstancias que dependen de cmo se form el talud y de su historia geolgica, de las condiciones climticas que privaron a lo largo de tal historia y de la influencia que el hombre ejerce en la actualidad o haya ejercido en el pasado.

IMPORTANCIA DEL MONITOREO DE TALUDES Indicar fallas inminentes: - Estructuras geotcnicas pueden fallar con consecuencias catastrficas en cuanto a vida y propiedad. Este tipo de fallas puede ocurrir por sobrecarga, errores de diseo, construccin con deficiencias, deterioro, etc. - El monitoreo puede servir para dar aviso y salvar vidas. Entregar avisos - Sistemas de instrumentacin pueden ser instalados para entregar aviso que algn indicador ha excedido lmites aceptables. - Estos instrumentos pueden ser parte de un sistema autnomo que automticamente gatille la alarma. Revelar incertidumbres - Como ingenieros geotcnicos se trabaja constantemente con incertidumbres, las cuales pueden llevar a fallas catastrficas. - Siempre existirn incertidumbres en los proyectos geotcnicos; se instrumenta para observar el comportamiento real de la obra. Minimizar daos a estructuras adyacentes - Por ejemplo, monitoreando el desplazamiento lateral de una excavacin. Control de la construccin - Instrumentacin puede ser usada para monitorear el progreso de cierto desempeo geotcnico para controlar as la actividad constructiva. Mejorar el estado del conocimiento - Mucho de los avances en la ingeniera geotcnica tienen sus races en datos obtenidos de instrumentacin de proyectos a escala real. FACTOR DE SEGURIDAD Un talud de arena limpia es estable cualquiera sea su altura, siempre que el ngulo entre el talud y la horizontal sea igual o menor que el ngulo de friccin interna de la arena en estado suelto. El coeficiente de seguridad del talud con respecto a su deslizamiento puede expresarse por la relacin siguiente.

El factor de seguridad mnimo contra la falla por capacidad de carga de un terrapln, talud o muro sobre un suelo blando, a corto plazo, debe ser mayor que uno (FS > 1). Para estratos potentes, el colocarle una capa de refuerzo no aumentar el factor de seguridad ms all del calculado para un talud sin refuerzo. Para el caso en donde se encuentren factores de seguridad menores que uno, ser necesario llevar un procedimiento de construccin muy cuidadoso, ejecutarlo por pasos, con bermas laterales, particularmente en el caso de turbas o rellenos suaves. Otras estrategias podran ser la pre consolidacin, con o sin drenes verticales, la remocin de esos suelos blandos y su sustitucin o bien la compactacin in situ, pudieran ser adecuadas, sin embargo, los beneficios del uso de los refuerzos podra venir en el permitir la circulacin sin problemas de la maquinaria de construccin, para levantar o construir el terrapln, empujando las capas de suelo sobre de la capa o capas de refuerzo. La prdida de material, por incrustacin, al comenzar un relleno sobre suelos blandos es muy alta, y el refuerzo permite dichos ahorros, adems de permitir el iniciar adecuadamente el relleno. Tambin deber de notarse que la compresin y la consolidacin de los suelos blandos, una vez que el terrapln haya sido construido, aumentar el factor de seguridad contra la falla por capacidad de carga al paso del tiempo, por lo cual, la parte ms crtica en la construccin de un terrapln sobre suelos blandos, ser el final de la fase de construccin. TALUDES CON PROBLEMAS ESPECIALES Existen diferentes tipos de terreno que presentan problemas especiales o inusuales de estabilidad de taludes naturales o excavaciones: - Arcillas Duras Fisuradas y Lutitas: La resistencia cortante de muchos de estos materiales puede reducirse considerablemente si han estado sujetos a desplazamientos que son mayores que los desplazamientos correspondientes a la resistencia mxima (pico). Existe evidencia que en este tipo de suelo, las fallas de los taludes pueden ser del tipo progresivo y que en un perodo largo la resistencia al cortante se puede reducir al valor residual. Sin embargo, en algunos casos los taludes en este tipo de terreno pueden permanecer por muchos aos a ngulos que son ms altos de los que corresponderan a la movilizacin de solamente la resistencia residual. La experiencia y prctica local es la mejor gua para el diseo apropiado en este tipo de suelos. - Loess: Debido a que este tipo de depsito contiene canales interconectados formados por races de plantas deterioradas, tiene una alta permeabilidad en la direccin vertical. A menos que se prevenga la infiltracin vertical, el agua que discurre hacia abajo a travs del suelo puede destruir las uniones pobremente cementadas entre partculas, causando erosin rpida y falla del talud. Taludes en este suelo son ms estables cuando son cortes verticales para prevenir las infiltraciones. Se utilizan banquetas a intervalos para reducir el ngulo efectivo del talud. Las superficies horizontales en las banquetas en la parte

superior e inferior del talud deben ser pavimentadas o con plantas para prevenir la infiltracin. La experiencia y prctica local son la mejor gua para el espaciamiento de las banquetas y para la proteccin de dichos taludes contra la infiltracin y la erosin. - Suelos Residuales: Los suelos residuales presentan, en lo que se refiere a la estabilidad de sus taludes (naturales y artificiales), algunas particularidades. En conexin con la estabilidad de los taludes en los suelos residuales existen tres conceptos que desempean un papel muy importante; estos son el perfil de meteorizacin, las estructuras heredadas y, naturalmente, el efecto del agua subterrnea. El perfil de meteorizacin es la secuencia de capas de materiales con diferentes propiedades que se ha formado en el lugar donde se le encuentra y que sobreyace a la roca no meteorizada. En realidad ser preciso considerar tambin ciertos perfiles de suelos no propiamente formados in situ, sino con mayor o menor grado de transporte, tales como los perfiles en depsitos de talud, de piemonte, coluviales, etc.; la razn es que estos perfiles y sus condiciones de estabilidad son tan similares a los de los suelos residuales que no resulta conveniente su separacin. El perfil de meteorizacin se forma tanto por ataque mecnico como por descomposicin qumica. Puede variar en forma considerable de un sitio a otro, sobre todo por variaciones locales en el tipo y estructura de la roca, topografa, condiciones de erosin, rgimen de aguas subterrneas y variaciones locales de clima, especialmente en rgimen e intensidad de lluvias. En casi todas las rocas metamrficas e gneas intrusitas, el perfil de meteorizacin comprende una capa de suelo residual, una de roca meteorizada y la roca fresca, poco meteorizada. Croquis de tales perfiles se muestran en la siguiente figura.

- Arcillas Altamente Sensibles: Algunas arcillas marinas exhiben una prdida dramtica de resistencia al ser alteradas, pudiendo fluir al estar completamente remoldeadas. Debido al efecto de perturbacin durante el muestreado, puede resultar difcil el determinar su resistencia cortante representativa en ensayos de laboratorio. La experiencia local es la mejor gua de la confiabilidad de los resultados de la resistencia cortante de laboratorio en dichas arcillas. ESTUDIO GEOLOGICO E INVESTIGACION GEOTECNICA Se realizan estudios geolgicos detallados e investigaciones de sitio para obtener la informacin requerida para el anlisis de nuevos taludes y el planeamiento de medidas correctivas en deslizamientos. El primer paso en el programa de exploracin de campo es realizar un reconocimiento geolgico, incluyendo un mapeo de campo del rea. Las notas de campo deben registrarse en un mapa topogrfico a gran escala. El reconocimiento debe anotar la uniformidad de la topografa, infiltracin, existencia de trazas de deslizamientos antiguos, verticalidad de rboles y la condicin de los taludes aledaos. La localizacin de las perforaciones o calicatas debe planearse y fijarse en el campo durante esta etapa de la investigacin. Debe planearse un nmero suficiente de sondajes, de modo de obtener informacin detallada de la superficie y del subsuelo del rea en estudio. Algunas veces debido a la topografa accidentada, el acceso del equipo puede ser difcil, por lo que puede necesitarse equipo especial montado en camiones. Se prefieren sondajes de gran dimetro a los de dimetro pequeo al perforar en rea sujetas a deslizamientos, debido a que es a menudo posible el localizar el plano de falla, al examinar las muestras de una

perforacin de gran dimetro. Las zonas de corte o slickensides proporcionan evidencias de movimientos en el pasado. Se deben tomar muestras inalteradas a profundidades seleccionadas en la perforacin y cuando se encuentre cambio en el tipo de suelo. En el caso de deslizamiento existente, deben tomarse de ser posible, muestras en la zona de falla. En algunos casos puede ser necesario que un gelogo entre en la perforacin para examinar los lados de la misma en busca de zonas de falla, evidencia de movimientos o infiltracin. La perforacin en este caso, por precaucin, deber estar entubada. Las profundidades de los sondajes debern extenderse por debajo del pie del talud, y de ser posible, debern llegar a suelo firme o roca. Para obtener informacin del nivel fretico, los sondajes deben tener entubado perforado y relleno de grava, de modo que puedan realizarse mediciones a largo plazo de las fluctuaciones del nivel fretico. Tambin pueden instalarse piezmetros en localizaciones seleccionadas para medir presiones de poro. Algunas veces se pueden instalar piezmetros en sondajes, una vez que el muestreo se ha realizado. En base al reconocimiento y a la informacin de los sondajes, deben dibujarse perfiles de la superficie y del subsuelo, indicando condiciones del suelo y el nivel fretico. En los perfiles se deben indicar los pesos unitarios, ensayos de clasificacin y de resistencia de laboratorio. ESTABILIZACIN La estabilizacin de un talud comprende los siguientes factores: 1. Determinar el sistema o combinacin de sistemas de estabilizacin ms apropiados, teniendo en cuenta todas las circunstancias del talud estudiado. 2. Disear en detalle el sistema a emplear, incluyendo planos y especificaciones de diseo. 3. Instrumentacin y control durante y despus de la estabilizacin. Debe tenerse en cuenta que en taludes, nunca existen diseos detallados inmodificables y que las observaciones que se hacen durante el proceso de construccin tienden generalmente, a introducir modificaciones al diseo inicial y esto debe preverse en las clusulas contractuales de construccin. Los sistemas de estabilizacin se pueden clasificar en cinco categoras principales:

1. Conformacin del talud o ladera Sistemas que tienden a lograr un equilibrio de masas, reduciendo las fuerzas que producen el movimiento.

2. Recubrimiento de la superficie Mtodos que tratan de impedir la infiltracin o la ocurrencia de fenmenos superficiales de erosin, o refuerzan el suelo ms sub superficial. El recubrimiento puede consistir en elementos impermeabilizantes como el concreto o elementos que refuercen la estructura superficial del suelo como la cobertura vegetal.

3. Control de agua superficial y subterrnea Sistemas tendientes a controlar el agua y sus efectos, disminuyendo fuerzas que producen movimiento y / o aumentando las fuerzas resistentes.

4. Estructuras de contencin Mtodos en los cuales se van a colocar fuerzas externas al movimiento aumentando las fuerzas resistentes, sin disminuir las actuantes. Las estructuras de contencin son obras generalmente masivas, en las cuales el peso de la estructura es un factor importante y es comn colocar estructuras ancladas en las cuales la fuerza se transmite al deslizamiento por medio de un cable o varilla de acero. Cada tipo de estructura tiene un sistema diferente de trabajo y se deben disear de acuerdo a su comportamiento particular.

5. Mejoramiento del suelo Mtodos que aumenten la resistencia del suelo. Incluyen procesos fsicos y qumicos que aumentan la cohesin y/o la friccin de la mezcla suelo-producto estabilizante o del suelo modificado.

INSTRUMENTACION Y CONDICIONES DE APLICACIN 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.

1. 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.

- INCLINMETROS: 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 inclinmetros (Foto No 1) miden la desviacin (inclinacin) del sondeo en dos direcciones a ngulos rectos, proporcionando curvas de desplazamientos cuya inflexin denota la situacin de los planos. Foto No 1. Inclinmetro Modelo In Place Inclinometer (IPI). Cortesa EYE

- EXTENSOMETRO: Los extensmetros (Foto N 2) miden movimientos relativos entre la boca del sondeo y uno o varios puntos situados en el interior.

Foto No 2. Modelo Magnetic Probe Extensometer. Cortesa de EYE

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.

2. 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 - Posicin del nivel fretico (Foto N 3) y presiones de agua.

Foto No 3. Sonda luminosa para medicin porttil de nivel fretico, Modelo KL010. Cortesa de Grobers.

Las caractersticas y velocidad del movimiento dependen 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 pueden llevarse a cabo mediante instrumentacin en superficie y en profundidad.

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 N 4) 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.

Foto No 4. Sensor del nivel de presin, modelo OTT PLS. Cortesa de Grobers, S.A.

3. Sistemas 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 (Foto No 5) 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.

Foto No 5. Instalacin de un Magnetic

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.

4. RADAR PARA MONITOREO DE TALUDES El manejo de los riesgos asociados con inestabilidad de taludes es esencial en operaciones seguras y econmicas de minas a cielo abierto. Ms de 80 Radares para Monitoreo de Taludes (SSR, por sus siglas en Ingles) han sido instalados en grandes minas alrededor del mundo para el manejo de estos riesgos. La tecnologa SSR es hoy considerada la mejor prctica de la industria minera mundial para el manejo de taludes inestables y con produccin crtica. El SSR utiliza radar para escanear a distancia la pared del talud, continuamente monitoreando movimientos del talud. La tecnologa detecta y alerta a los usuarios sobre movimientos del talud con una precisin sub-milimtrica. Las ondas del radar penetran a travs de lluvia, polvo y humo, suministrando datos reales y en tiempo real las 24 horas del da. Los sistemas SSR han detectado y registrado alertas sobre movimientos en ms de 200 cadas de roca y fracasos, que van desde pequeas cuas de falla con algunas toneladas hasta fracasos de ms de treinta millones de toneladas, lo que cual le ha permitido a muchas operaciones obtener ganancias en productividad, planeacin y seguridad. Perfil del Radar para Monitoreo de Taludes Capacidades y especificaciones del sistema de Radar para Monitoreo de Taludes: Deformacin de alta precisin +/-0.1mm (Desviacin estndar). Disco perforado y otras caractersticas las cuales permiten la operacin en operaciones con fuertes vientos. El rango de medicin es 1700 metros. Escanea 270 grados horizontalmente y 120 grados verticalmente. Entre 1-30 minutos es la tasa de repeticin para reas de escaneo (vara segn la zona que se est escaneando). Tolerante a la vibracin y a maquinaria minera. El sistema pesa aproximadamente 1500 kg. Monitoreo en tiempo real. Sistema de alarma que alerta automticamente la mina sobre movimientos excedidos los cuales pueden ser definidos por el usuario. El sistema es un sistema para todo tipo de clima el cual ha operado en condiciones climticas desde rticas hasta tropicales y en altitudes superiores a 4500m.

CONCLUSIONES Una vez estudiado el talud, definidos los niveles de amenaza y riesgo, el

mecanismo de falla y analizados los factores de equilibrio, se puede pasar al objetivo final que es el diseo del sistema de prevencin control o estabilizacin.

El monitoreo en taludes permite obtener informacin permanente de su

comportamiento que nos permitir prevenir riesgos durante los trabajos que se realicen.

REFERENCIA BIBLIOGRAFICA Tupak Ernesto Obando Rivera. Ingeniero en Geologa. Sistemas de Monitoreo y

control de la Estabilidad de Taludes Rocosos y Suelos (2009)

Gonzles Vallejos, L. et. al. (2002). Ingeniera Geolgica. Editorial PEARSON EDUCACIN. Madrid. 744p.

Jorge E. Alva Hurtado. Profesor Principal Facultad de Ingeniera Civil Universidad Nacional de Ingeniera. Notas sobre anlisis de estabilidad de taludes (1994)

Estabilidad de Taludes. Geologa y Geotecnia. lvaro F. De Matteis (2003)