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Transcript
Análisis geomecánico en taludes carreteros en rocas riolíticas, aplicando el
método de Romana
Geotechnical slope in roadway on rocks rhyolitic analysis, using the method of Romana
Geomechanical analysis of roadway slopes on rhyolitic rocks using Romana’s method
Ernesto NÚÑEZ1, Eleazar ARREYGUE2, Carlos CHÁVEZ2, Jorge ALARCÓN2
1
Maestría en Infraestructura del Transporte en la Rama de las Vías Terrestres, Facultad de Ingeniería Civil, UMSNH
2 Profesor del Posgrado, Facultad de Ingeniería Civil, UMSNH
RESUMEN: Los fenómenos de inestabilidad de taludes en las vías terrestres tienen gran repercusión dado que los
daños que se producen son importantes y generan elevados costos de reparación. Además de la dificultad para ejecutar
reparaciones y en algunas ocasiones cerrar las vialidades, lo que provoca malestar a los usuarios. En este estudio se
analizaron dos taludes en rocas riolíticas que se localizan en la autopista México-Guadalajara en el tramo 260+000 al
262+000, observándose algunos desprendimientos de bloques de diferentes dimensiones, así como otro tipo de
mecanismos (tipo cuña o volteo). El propósito del estudio fue conocer las propiedades físicas y mecánicas de las rocas,
para poder emplear la información en la aplicación de los métodos de Bieniawski y Romana. Posteriormente se aplicó
un análisis cinemático. Esto permitió realizar el diseño adecuado para la estabilización de los taludes en estudio,
proponiendo la mejor alternativa para mitigar el riesgo falla. El análisis cinemático se hizo a través de un software
especializado y al final se hicieron propuestas de estabilización. Los resultados del análisis permitieron conocer las
zonas más críticas (sitios con desprendimientos de bloques), dando la posibilidad de proponer mecanismos para la
estabilización de acuerdo con cada caso, lo que permitirá mitigar el riesgo.
ABSTRACT: The slope instability phenomena in cuts of highways have great economic impact because the damages
that produce are important, generating high repair costs; making expenditures for maintenance and repair of unstable
slopes be very high. Besides the difficulty to perform repairs and sometimes closing the roads, it cause discomfort to
users. In this study we analyzed two cut slopes in rhyolitic rocks located in the Mexico-Guadalajara highway section form
260+000 to 262+000, it was observed some rock falls of different dimensions as well as other mechanisms (wedge or
toppling slides). The purpose of the study was to determine the physical and mechanical properties of rocks, to use the
information in the application of methods of Bieniaswki and Romana. Subsequently a kinematic analysis was applied.
This allowed the right design for the stabilization method of slopes in the study, suggesting the best alternative to
mitigate risk failure. The kinematic analysis was done through specialized software and end stabilization proposa ls were
made. The results of the analysis allowed to determine the most critical areas (rock block fall sites), giving the possibility
to propose mechanisms for stabilization according to each case, this will allow mitigate risk.
1 INTRODUCCIÓN
El diseño de taludes en ingeniería geológica está
presente en la mayoría de las actividades
constructivas o extractivas que realiza el hombre
para su bienestar. No obstante, en algunas
ocasiones se presentan caídos de fragmentos de
roca que producen pérdidas económicas y en
ocasiones pérdidas humanas, esto debido a la mala
planeación de las obras construidas.
Por tal motivo, es importante conocer las
propiedades y el comportamiento físico y mecánico
de la roca, con el fin de diseñar y construir con
criterios ingenieriles obras temporales u obras
permanentes, empleando la roca como material
estructural.
Por ello se requiere crear conocimiento para que
los
ingenieros
constructores
apliquen
las
herramientas necesarias para diseñar y ejecutar
acciones que contribuyan a prevenir y asegurar el
bienestar de los usuarios de los caminos, por
ejemplo, para que la operación vehicular sea segura
y eficiente.
En el presente trabajo se presenta el análisis de
dos taludes de roca en diferentes puntos de la
autopista México-Guadalajara, con una geología en
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Análisis geomecánico en taludes carreteros en rocas Riolíticas, aplicando el método de Romana
2
roca riolítica y tobasy taludes con alturas máximas
de 15 metros. Al final del análisis se hacen
propuestas para un mejoramiento y estabilización de
los taludes que así lo requieran.
2 LOCALIZACIÓN DEL ÁREA EN ESTUDIO
Los taludes en estudio se localizan sobre la citada
autopista, en los km 260+000 y en el 262+000, como
se muestra en la Figura 1.
La zona en estudio tiene una temperatura anual
promedio que oscila entre 15° y 18°C, y una
precipitación anual promedio que varía entre 750 y
800 mm.
04. En cambio, Para las propiedades mecánicas, se
aplicó la carga puntual de acuerdo con la norma
ASTM D-5731-5; además se emplearon los
resultados obtenidos con el esclerómetro y
calculados en lo propuesto por González de Vallejo
et al. (2004).
3.3 Clasificación geomecánica
Para la aplicación de métodos para los casos de
estudio, se hizo a través de la clasificación
geomecánica propuesta por Bieniawski y Romana.
Estas técnicas permiten conocer el estado real de
los taludes, que pueden identificarse como estable o
inestable. Así mismo, se realizó un análisis
cinemático de las principales discontinuidades.
Lago de Cuitzeo
4 RESULTADOS
Talud 262+000
A México
A Gudalajara
Talud 260+000
Figura 1. Ubicación de los taludes en estudio (Google
earth).
3 METODOLOGIA
La metodología que se empleó consistió en tres
fases: la primera fue el trabajo de campo; la segunda
fase fue la realización de las pruebas de laboratorio
(propiedades físicas y mecánicas); y la tercera fase
se refirió a la aplicación de los métodos de
Bieniaswki y Romana, así como se realizó el análisis
cinemático. Se concluyó con un análisis detallado de
resultados, con la finalidad de poder hacer
propuestas de estabilización.
3.1 Trabajos de campo
El trabajo de campo se hizo con una inspección
detallada de cada uno de los taludes, obteniendo su
longitud y altura promedio; enseguida se realizó un
levantamiento de discontinuidades con una brújula
Brunton; así mismo, se tomaron lecturas con un
esclerómetro para conocer su resistencia; finalmente
se realizó el muestreo de la roca para su análisis en
laboratorio.
3.2
Pruebas de laboratorio
En el laboratorio se realizaron las pruebas índice
densidad y absorción (ASTM C-127-04) y la prueba
de durabilidad se basó en la norma ASTM D-4644-
Cabe mencionar que cada zona en estudio consistió
de dos taludes de corte; el talud 1 (km 260+000)
presenta dos cortes, uno ubicado al oriente del
camino, el cual se denominará 1a; éste tiene una
longitud de 508 m y altura promedio de 16 m; el
segundo corte tiene dirección poniente y se
denominará 1b, su longitud es de 308 m y altura
promedio de 8 m. Para el talud 2 (km 262+000), el
primero se ubica al norte del camino y se
denominará 2a, su longitud es de 260 m y altura
promedio de 9 m; el segundo se ubica al sur y se
denominará 2b, su longitud es de 351 m y altura
promedio de 11 m. Enseguida se descibirán los
resultados que se obtuvieron de cada uno de los
taludes que se analizaron.
4.1 Pruebas índice
Las pruebas de densidad y absorción se realizaron
para los materiales de los dos taludes, se tomaron
diez fragmentos de roca por sitio y al final se
promediaron. Los resultados obtenidos se muestran
en la Tabla 1.
Para la prueba de durabilidad, se tomaron
pequeños fragmentos de roca de cada talud y de
cada tipo de material; se analizaron un promedio de
450 g por sitio; se les aplicaron tres ciclos a cada
muestra. Los resultados se muestran en la Tabla 1 y
en la Figura 2 se observa el equipo empleado para
tal fin.
Tabla 1. Resultados de las pruebas índice, para cada
talud.
_____________________________________________________
Parámetro
Talud 1
Talud 2
1a
1b
2a
2b
_____________________________________________________
Absorción (%)
Riolita
3.21
4.98
4.34
3.75
Toba
9.27
7.60
14.17
17.33
Densidad (g/cm3)
Riolita
2.00
2.06
2.26
2.06
Toba
1.99
2.05
1.98
1.92
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Núñez E. et al.
Durabilidad
Riolita
Muy alta
Ext. alta
Ext. alta
Muy alta
Toba
Alta
Alta
Alta
Alta
_____________________________________________________
Figura 2. Prueba de durabilidad en proceso.
De acuerdo con los resultados de las pruebas
índice, se puede comentar que la toba obtuvo los
valores más bajos, en cambio la riolita tiene valores
más altos (Núñez Guzmán, 2014).
4.2 Pruebas mecánicas
Las pruebas que se aplicaron a los dos taludes con
la finalidad de conocer la resistencia de las rocas,
fueron de dos tipos: in situ se utilizó el esclerómetro
o martillo de Smith y en laboratorio se aplicó la
prueba de carga puntual, que proporciona un índice
de resistencia.
La prueba del esclerómetro se hizo en campo
donde se tomaron aproximadamente 50 lecturas en
cada tipo de roca y en cada corte de los taludes
(cuatro en total), y se eliminaron los 10 valores más
altos y los 10 más bajos. Al final del proceso se
promediaron los valores obtenidos, dando los
resultados que se presentan en la Tabla 2.
Para la prueba de carga puntual se utilizaron
especímenes irregulares tal como lo marca la norma
correspondiente, así mismo se aplicaron factores de
corrección con el propósito de obtener valores más
confiables. Para este estudio se probaron
aproximadamente 30 especímenes por talud,. Los
resultados se muestran en la Tabla 2, y en la Figura
3 se muestra el equipo empleado.
3
esclerómetro proporciona valores superficiales de la
calidad de la roca, por tal motivo se le considera una
prueba no destructiva (Núñez Guzmán, 2014).
Figura 3. Equipo hecho en el Laboratorio de Materiales de
la UMSNH y empleado para la prueba de carga puntual.
4.3 Clasificación geomecánica
El empleo de métodos para caracterizar un macizo
rocoso, es muy importante, ya que permite conocer
las condiciones en que se encuentra el talud en
estudio. En la actualidad se conocen bastantes
métodos, algunos son exclusivos para túneles, otros
para taludes y pocos tienen aplicación en ambos
casos.
Para este caso de estudio se emplearon los
métodos de Bieniawski (se puede emplear en
túneles y taludes) y Romana (solo para taludes), los
cuales requieren de diversos parámetros de la
calidad de la roca (resultados de laboratorio y
observaciones de campo). En la Figura 4 se muestra
el talud 1b y en la Figura 5 se muestra el talud 2b.
Figura 4. Talud 1b en este corte se tienen algunos caídos,
solamente tiene malla con algunos anclajes de varilla.
Tabla
2. Resultados de las propiedades mecánicas.
_____________________________________________________
Parámetro
Talud 1
Talud 2
1a
1b
2a
2b
_____________________________________________________
Esclerómetro (MPa)
Riolita
37.0
52.0
52.0
43.0
Toba
17.5
18.0
17.0
19.0
Carga Puntual (MPa)
Riolita
215.0
151.1
114.2
148.2
Toba
30.11
20.92
20.91
51.57
_____________________________________________________
Figura 5. Talud 2b, se puede apreciar que tiene un muro
de gavión para contener los fragmentos de roca.
La comparación de resultados de la resistencia de
la roca entre el esclerómetro y la de carga puntual,
demuestran que en ambas pruebas la riolita tiene
una resistencia más alta. Cabe recordar que el
El primer método que se empleó fue el RMR
(Rock Mass Rating) de Bieniawski (1989), constituye
un sistema de clasificación de macizos rocosos que
permite a su vez relacionar índices de calidad con
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
4
Análisis geomecánico en taludes carreteros en rocas Riolíticas, aplicando el método de Romana
parámetros geotécnicos del macizo rocoso
(González de Vallejo et al, 2004).
En el caso de estos taludes tan largos se tuvieron
que agrupar en tramos que presentaran
características geológicas un poco más uniformes,
esto de acuerdo con las observaciones que se
hicieron en campo y con la finalidad de facilitar el
trabajo, recordando que lo más importante de este
levantamiento son las discontinuidades.
Habiendo identificado bien las principales
discontinuidades, se decidió asignar un valor a cada
uno de los cinco parámetros que considera el
método de clasificación, los cuales son: resistencia
de la matriz rocosa, grado de fracturación (RQD),
espaciado de las discontinuidades, condiciones de
las discontinuidades y condiciones hidrogeológicas.
La suma de todos estos valores en el
comportamiento geomécanico de un macizo rocoso
se expresa por medio del índice de calidad RMR,
que varía de 0 a 100.
Así mismo se hizo la corrección por la orientación
de las discontinuidades con respecto a la excavación
(este valor se resta al valor anterior), considerando el
resultado anterior, donde resultó ser roca de media
calidad (tabla de valoración de Bieniawski); para este
caso se le restó un coeficiente de 25. Al final del
proceso se obtiene el valor numérico con el que se
clasificó el macizo rocoso. Se promediaron los
valores con el propósito de obtener un resultado
aceptable por talud, lo que se observa en la Tabla 3.
Tabla 3. Resultados de la clasificación de Bieniawski, para
los
dos taludes.
_____________________________________________________
Parámetros
Talud 1
Talud 2
_____________________________________________________
Resistencia
15
15
RQD(%)
10
17
Separación diaclasas
15
15
Estado de las discontinuidades
Longitud
2
2
Abertura
0
0
Rugosidad
5
5
Relleno
2
3
Alteración
2
2
Agua Estado Gral.
15
5
Corrección del talud
-25
- 25
TOTAL
41
49
_____________________________________________________
De acuerdo con lo expresado por el autor y los
resultados del estudio, la calidad de la roca es media
para ambos casos, con una cohesión de 2 a 3
kg/cm2 y un ángulo de rozamiento entre 25° y 35°.
El segundo método que se utilizó fue el SMR
(Slope Mass Rating) de Romana (1993); es un índice
de clasificación de taludes que se obtiene a través
del Índice RMR básico de Bieniawski (método
anterior), sumándole un factor de ajuste que es
función de la orientación de las discontinuidades
(producto de tres subfactores) y sumando un factor
de excavación que depende del método empleado.
Estos subfactores son: el primero depende del
paralelismo entre la dirección de las fisuras y del
frente del talud; el segundo está en función del
buzamiento de las discontinuidades; y el tercero
refleja la relación entre los buzamientos de la
discontinuidad y el talud.
A partir del resultado del RMR y con la información
recabada
en
campo
de
las
diferentes
discontinuidades, orientación e inclinación, se aplicó
el método SRM de Romana, obteniéndose los
valores numéricos que se muestran en la Tabla 4.
Tabla 4. Resultados de la aplicación del método SRM de
Romana,
para los dos taludes.
_____________________________________________________
Parámetros
Talud 1
Talud 2
_____________________________________________________
RMR de Bieniawski
66
74
Dirección de
discontinuidades y del talud
0.40
0.85
Inclinación de discontinuidades
0.85
1.00
Relación inclinación de
discontinuidades y talud
-6
-6
Factor de ajuste
método de excavación
10
10
TOTAL
74
79
_____________________________________________________
Los resultados obtenidos del método SRM de
Romana, indican que los dos taludes son estables y
que ocasionalmente sería recomendable darle algún
tratamiento a la roca.
El empleo de estos métodos de clasificación
geomecánica para taludes, permitió conocer el
estado real que guarda cada uno, observando que
en general el talud dos es el que presentó mejores
resultados, lo que indica que la roca está en mejores
condiciones geológicamente.
4.4 Análisis cinemático
La aplicación de este tipo de modelos permite
analizar sistemas de fracturamiento que pueden
estar formados por bloques de roca, delimitados por
algun sistema tridimensional de planos que forman
las discontinuidades. Estos modelos generalmente
se trabajan a través de las proyecciones
estereográficas, que permiten conocer cuándo un
talud es inestable, de acuerdo con las condiciones
geométricas del macizo rocoso (Wyllie y Mah, 2004).
Con el levantamiento de las principales
discontinuidades se empleó el software Dips, el cual
permitió realizar un análisis cinemático, teniendo la
posibilidad de conocer los diferentes mecanismos de
movimiento de los bloques analizados.
Para este estudio se hicieron aproximadamente
35 anális cinemáticos (proyecciones estereográficas)
por talud; los mecanismos que se presentaron fueron
del tipo planar, por vuelco, cuña y en algunos casos
no se registraron movimientos. En la Figura 6 se
muestra la distribucción de los mecanismos que
prevalecieron, observándose que en general son
pocos
los
desprendimientos
de
bloques,
predominando los no movimiento (línea superior).
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Núñez E. et al.
Figura 6. Análisis cinemático aplicado a los dos taludes.
5
González de Vallejo L.I., Ferrer M., Ortuño L., y Oteo
C. (2004). Ingeniería Geológica. Editorial Pearson,
Madrid.
Núñez Guzmán E.A. (2014). Análisis de taludes
inestables en rocas riolíticas, aplicando los
métodos de Bieniawski y Romana para el tramo
km 258+000 al km 262+000 de la autopista
México-Guadalajara. Tesis de maestría UMSNH.
p 189.
Romana A. M., (1993). Geomechanics Classificatíon
For Slopes: Slope Mass Rating. Comprehensive
Rock Engineering. Vol 3, p 575-600.
Wyllie D. y Mah Ch.W. (2004). Rock slope
engineering civil and mining. Spon Press. p 431.
5 CONCLUSIONES
La principal ventaja que tienen las clasificaciones
geomecánicas es que proporcionan una información
inicial de los parámetros mecánicos del macizo
rocoso, a bajo costo y de forma sencilla. Los
resultados deben ser interpretados con mucho
criterio y con base en el conocimiento de las
propiedades y del comportamiento geomecánico del
macizo rocoso.
De los resultados obtenidos se concluye que los
taludes formados de roca riolítica tienen mejores
características geotécnicas que los taludes de toba,
incluso en la resistencia.
La clasificación de Bieniawski permitió conocer las
características geomecánicas en los dos taludes
estudiados, además de que es un dato a utilizar en la
aplicación del SRM de Romana. De los dos métodos
se deduce que sí se presentan algunos caídos
ocasionales. De la aplicación del software Dips, se
dedujo que para el talud 1 principalmente son
movimientos de cuña y para el talud 2 son del tipo
planar y de vuelco.
Conociendo todos los parámetros de los taludes
se hizo una propuesta de estabilización, siendo la
más apropiada la colocación de algunos anclajes o
inyección entre las discontinuidades (sitios más
propensos a moverse los bloques); la segunda
propuesta fue la malla tripe torsión. En general se
consideraron los taludes como estables.
6 REFERENCIAS
ASTM C-127-04 Standard test method for density,
relative density and absorption of coarse agregate.
ASTM D-4644-04. Standard practice for preparation
of rock slabs for durability.
ASTM D-5731-05. Standard test method for
determination of the point load strength index of
rock.
Bieniawski Z.T. (1989). Engineering rock mass
clasifications. Wiley and Sons.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.