Instrumentación y control de taludes y laderas

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DE TALUDES Y LADERAS Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González Grupo ITEICO Euroamericano. [email protected]

Abril de 2015

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DE TALUDES Y LADERAS 1. Introducción

En el campo de la estabilidad de taludes y laderas no siempre el planteamiento y la resolución teóricos son suficientes para obtener una solución satisfactoria, que elimine las incertidumbres y deje al ingeniero libre de preocupación sobre la eficiencia de sus análisis y el comportamiento durante y después de la puesta en marcha de las obras o procesos constructivos de estabilización. Se ha dicho que las diferencias entre la teoría y la realidad son más complejas en el ámbito de la mecánica de suelos y rocas aplicadas que en cualquier otra rama de la Ingeniería Civil. Esto es debido tanto a las complejidades del suelo y las rocas como material de construcción, como al hecho de que con mucha frecuencia, aun en problemas importantes, el ingeniero ha de proceder con niveles de información por debajo del ideal conseguible, muchas veces por razones de tiempo y dinero. Estas dos circunstancias hacen que en los problemas de campo se trabaje con grados de incertidumbre que suelen excluir toda posición de indiferencia o de excesiva tranquilidad en cuanto al comportamiento de las obras o de las soluciones adoptadas. Por todo lo anterior, en las últimas décadas se ha desarrollado mucho la tendencia a observar el comportamiento de las obras (auscultación y monitoreo), midiendo parámetros que se consideran esenciales antes, durante y después de la ejecución. Cuando dichas observaciones se realizan e interpretan de manera adecuada, no solo permiten estudiar el comportamiento de una obra y la evolución de sus condiciones de estabilidad o de servicio, sino que también permiten verificar y validar algunas de las principales hipótesis y teorías consideradas para el análisis, en la concepción de su proyecto o estudio de fallas. Un problema al que los ingenieros civiles y otros profesionales de las ciencias de la tierra deben enfrentarse con frecuencia, es el de taludes y laderas en equilibrio crítico que, en un momento determinado, comienzan a registrar movimientos. 2. Definición y objetivos Las mediciones de campo en taludes y laderas inestables o con riesgo potencial de serlo, se realizan mediante el uso instrumentos y equipos cada día más sofisticados y diversos. Esta característica da su nombre a la técnica que genéricamente se ha denominado “Instrumentación”, en el sentido de que las obras geotécnicas y estructurales se “instrumentan” con un conjunto de instrumentos, equipos y sistemas de medición que permiten conocer la evolución de las características mecánicas más relevantes, de los movimientos más significativos y, en general, de las condiciones de estabilidad a lo largo del tiempo. De forma general, la instrumentación de taludes y laderas, tiene los siguientes objetivos: • Verificar el comportamiento de la obra durante la construcción para comprobar las hipótesis de diseño y la evolución prevista del factor de seguridad. 

Conocer el comportamiento de la obra (talud en corte o terraplén) o de una ladera a lo largo de un período de tiempo. Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González

1

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control 

Establecer las condiciones cinemáticas de fallas pre-existentes a las acciones de ingeniería o surgidas de ellas, que ocurran en taludes (en cortes) o laderas.

3. Programa de instrumentación Si la instrumentación fue concebida desde la etapa de proyecto, una vez caracterizado el terreno, definido el proceso a seguir en la obra y seleccionados los parámetros a controlar, se establecerá el correspondiente programa de instrumentación, en el que se indicarán los instrumentos idóneos, intervalos de medida, precisión capaz de proporcionar y la frecuencia con la que se deben realizar las lecturas de seguimiento. En los casos donde la necesidad de instrumentar haya surgido por la existencia de deslizamientos activos o con alta probabilidad de ocurrencia, es igualmente importante conocer las características geológicas y geotécnicas de la zona objeto de estudio antes de seleccionar la instrumentación a emplear. Un programa de instrumentación, sea cual fueren sus objetivos, debe concebirse y establecerse dentro del marco general del proyecto de la obra o del estudio a realizar, como una parte más del conjunto; en muchos casos es conveniente interrelacionado con el proyecto, de manera que los resultados de las mediciones que vayan teniéndose sirvan para ir verificando o corrigiendo, sobre la marcha, las soluciones. Los programas de instrumentación dependen de las características de los sitios objeto de estudio pero, de forma general, en ellos deben quedar definidos los siguientes aspectos:  Parámetros que serán monitoreados y controlados  Cantidad y tipos de equipos e instrumentos a utilizar  Ubicación de los instrumentos y equipos e instrucciones de instalación  Lecturas de referencia previas al inicio de las mediciones  Especificaciones de intervalos de lecturas y criterios de alarma  Recomendaciones para la realización de lecturas y toma de datos  Captación, transmisión y tratamiento de datos. En el programa se deben incluir además, los intervalos con que se tomarán las medidas de cada uno de los parámetros controlados, las recomendaciones y cuidados especiales a tener en cuenta en la ejecución de las mediciones, recomendaciones de cálculo para la obtención de los resultados a partir de las mediciones realizadas, previsión de los intervalos razonables para cada uno de los parámetros y alarmas a generar en caso de que alguno se salga de ellos. Para este último caso, será necesario tener un plan de actuación en caso de alcanzar niveles peligrosos. El costo de un programa de instrumentación de campo relacionado con el comportamiento de taludes y laderas debe siempre justificarse en términos del proyecto específico que se desee estudiar, lo que usualmente no es difícil en los problemas importantes, pero tiene un beneficio paralelo que no suele verse en los Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González

2

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control análisis y que se refiere a la gran cantidad de experiencia y conocimiento que puede extraerse, el cual es altamente capitalizable en obras posteriores y en situaciones similares (Rico y Del Castillo, 1986). 4. Técnicas y procedimientos de instrumentación Dar seguimiento al comportamiento del terreno en taludes y laderas inestables o con riesgo potencial de serlo, es fundamental tanto para determinar las causas del fenómeno base como para controlar la evolución del riesgo. En muchos escenarios, cuando la escala espacial y temporal de los movimientos lo hace factible, la determinación de las deformaciones de los materiales y estructuras a lo largo del tiempo constituye una medida muy efectiva (Gili Ripoll J.A, 2003). Existen numerosas técnicas e instrumentos para medir los movimientos y esfuerzos del terreno en taludes y laderas inestables, así como las afecciones que se producen en las estructuras cercanas. Entre las técnicas y procedimientos más utilizados se encuentran los procedimientos topográficos manuales o automatizados, extensometría, inclinometría, piezometría, presiometría, entre otros (Figura 1).

Figura 1. Técnicas y procedimientos de instrumentación en taludes y laderas (modificado de Oteo, 1978).

De lo expuesto anteriormente se deduce la interrelación existente entre la caracterización geotécnica del terreno que ha sufrido (o va a sufrir) cambios en sus condiciones de estabilidad y la instrumentación aplicable para efectuar el seguimiento. Únicamente se obtendrán resultados plenamente válidos, si en ambas actuaciones se cuenta con las técnicas adecuadas (Rodríguez Soto, A., 2003). Por tanto, antes de instalar la instrumentación será necesario:  Delimitar la zona objeto de estudio. Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González

3

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control  Efectuar un levantamiento mediante cartografía geológica de superficie en el que se reflejen las patologías detectadas, surgencias de agua, distribución de litologías, etc.  Apoyar con métodos geofísicos las conclusiones preliminares deducidas de los dos puntos anteriores.  Seleccionar los puntos accesibles para las sondas de perforación en la zona de estudio, perforando en los emplazamientos más adecuados.  Efectuar una testificación geotécnica minuciosa, cuyo análisis permita definir los tramos de sondeo donde sea conveniente efectuar ensayos geotécnicos.  Seleccionar el tipo de ensayo a realizar en función del parámetro a caracterizar. 4.1 Parámetros a controlar Cuando se desarrolla un programa de instrumentación de campo suele buscarse información sobre uno o varios de los siguientes tópicos: 

Movimientos horizontales y verticales



Agrietamientos en el terreno y/o en estructuras cercanas



Esfuerzos actuantes en el terreno (verticales y horizontales)



Presiones y niveles de agua y su evolución



Efectos de sismos, impactos o fuertes vibraciones. Esto incluye tanto la acción de estos fenómenos como la respuesta de la obra



Características del flujo interno de agua en la masa de suelo o roca



Medición de las propiedades mecánicas del terreno “in situ”.

Para obtener dicha información, en cada sitio objeto de estudio se colocarán instrumentos, equipos y sistemas de medición que permiten observar y/o evaluar la evolución de los parámetros tenso-deformacionales y movimientos más relevantes del terreno y las estructuras del entorno. 4.1.1 Controles superficiales Tienen como objetivos monitorizar el comportamiento del terreno en superficie, así como sus impactos en las estructuras mediante el uso de métodos que van desde levantamientos topográficos hasta el uso de extensómetros e inclinómetros. Históricamente, los controles topográficos sobre puntos convenientemente situados en la superficie del terreno y en las estructuras, han sido los más utilizados para obtener información sobre dirección y velocidad de los movimientos; aunque en la actualidad, se utilizan sensores de alta precisión para medir agrietamientos en el terreno y estructuras, y para controlar las inclinaciones en muros y elementos estructurales verticales. 4.1.2 Medición de asentamientos y movimientos verticales Existen varios tipos de instrumentos, equipos y sistemas que permiten hacer estas mediciones, siguiendo dos estilos diferentes: Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González

4

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control - Medición de desplazamientos verticales en varios puntos de un mismo nivel horizontal (Figura 2a); - Medición de desplazamientos verticales en varios puntos en una misma línea vertical (Figura 2b). (a)

1

(b) 2

3

Δ3

Δ1

Δ2

1

Δ1

2

Δ2

3

Δ3

4

Δ4

Figura 2. Mediciones de desplazamientos verticales del terreno.

4.1.3 Medición de movimientos horizontales Son posiblemente las mediciones que más aportan a los estudios de estabilidad de taludes y laderas, pues permiten medir desplazamientos horizontales a diferentes profundidades (Figura 3a). Además de dar información sobre las características del movimiento, permiten detectar la posición de superficies de fallas antiguas o recién formadas. Vale señalar que muchos de los instrumentos que se utilizan para medir movimientos verticales pueden utilizarse para medir movimientos horizontales, cambiando adecuadamente su posición dentro del talud, sobre todo en el caso de terraplenes (Figura 3b). (a)

Δ1

1

Δ2

2

Δ3

3

(b) (b)

2

1

Δ1

Δ2

4

3

Δ3

Δ4

4

Figura 3. Medición de desplazamientos horizontales del terreno.

4.1.4 Medición de presiones en el interior del terreno Se realizan para conocer el comportamiento de los esfuerzos verticales (Pv) y horizontales (Ph) que actúan en el interior del terreno (Figura 4). Dicho comportamiento permite evaluar y controlar la relación tensión-deformación del terreno en el interior de taludes y laderas.

Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González

5

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control

Figura 4. Medición de presiones en el interior del terreno.

4.1.5 Medición de presiones de agua en el terreno En los problemas de estabilidad de taludes y laderas es esencial el conocimiento de la evolución de las presiones en el agua que se encuentra en su interior (Figura 5). Esta medición tiene los siguientes objetivos: - Conocer las condiciones hidráulicas en el interior de los estratos - Poder evaluar, en cualquier momento, la resistencia del terreno para establecer la evolución del factor de seguridad - Verificar el funcionamiento de elementos de drenaje o de medidas para controlar el flujo de agua hacia el talud. Sensor

Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Figura 5. Medición de presiones de agua en el terreno.

5. Instrumentos, equipos y métodos El desarrollo de la ciencia y la tecnología en los últimos años ha permitido desarrollar una amplia gama de instrumentos, equipos y sistemas que facilitan la auscultación y el control de taludes y laderas de manera rápida, precisa y relativamente sencilla. Sin embargo, la correcta interpretación de los resultados sigue siendo una tarea que requiere de las habilidades y experiencia de los encargados del análisis. A continuación se describen algunos de los instrumentos, equipos y métodos que, por sus potencialidades y versatilidad, son muy utilizados en la instrumentación y control de taludes y laderas. 5.1 Control de movimientos y agrietamientos superficiales


6

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control 5.1.1 Control topográfico Es, posiblemente, el método tradicionalmente más utilizado para el control de movimientos del terreno y de las estructuras en las inmediaciones de taludes y laderas. Se basa en monitorear planimétrica y altimétricamente mediante instrumentos, el movimiento de una serie de puntos (hitos de control) ubicados en zonas del terreno y/o estructuras, donde se prevé que pueden ocurrir desplazamientos horizontales y verticales. Después de realizar varios ciclos de medición, será posible dibujar una planta topográfica en la que puede representarse el movimiento de cada punto controlado por medio de un vector; el conjunto de todos estos vectores da una idea muy objetiva del movimiento y velocidad de la masa de suelo y/o roca inestable. El problema más difícil suele ser establecer una línea de referencia fija, situada fuera de la influencia de los movimientos, a la que puedan referirse todos los puntos controlados. 5.1.2 Control mediante GPS El GPS (Global Positioning System) es un sistema de posicionamiento global, radionavegación y medida de tiempo con el uso de satélites, puesto en funcionamiento por los Estados Unidos en los años ochenta y utilizado, desde los años noventa para todo tipo de posicionamiento topográfico y en Geodesia, donde se incluye el control de movimientos del terreno en laderas inestables (Gili Ripoll J.A, 2003). Los desplazamientos de puntos de un deslizamiento de ladera se obtienen por diferencia de coordenadas, medidas en distintos instantes de tiempo (épocas o campañas de medida). Si se dispone de varios receptores, se debe tender a determinaciones con redundancia, “cerrando” triángulos o cuadriláteros (Figura 6).

Figura 6. Red GPS con redundancia cerrando triángulos o cuadriláteros (tomado de Gili Ripoll J.A, 2003).

Aunque el uso de GPS permite hacer mediciones de alta precisión, es conveniente comprobar los resultados con otras técnicas como topografía clásica, inclinometría, extensómetría, etc. 5.1.3 Control mediante escáner


7

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control Puede considerarse una combinación del control topográfico tradicional y el uso de GPS (Global Positioning System), que permite hacer controles superficiales y subterráneos de alta precisión. El escaneo del terreno y de estructuras da la posibilidad de obtener una malla tridimensional o nube de puntos en las superficies de los objetos, cuya posición puede ser controlada mediante escaneos sucesivos; y mediante este procedimiento se pueden detectar movimientos en cualquier dirección (Figura 7).

Fuente: INIGEMM _ Ecuador

Figura 7. Equipos y modelos para control superficial y subterráneo.

5.1.4 Extensómetros de cuerda Los extensómetros de cuerda permiten medir los desplazamientos del terreno en superficie y controlar la apertura y cierre de grietas en suelos, macizos rocosos y estructuras. Constan de un sensor de desplazamiento uniaxial capaz de recoger datos de variación de la longitud entre dos pernos o varillas ancladas en el terreno o en estructuras y unidos por un cordel de acero (Figura 8).


8


Posibilidad de movimiento Sensor

Puntos de anclaje

Figura 8. Extensómetros de cuerda.

5.1.5 Extensómetros de grietas La utilización de estos extensómetros permite controlar el comportamiento (apertura, cierre y deslizamiento) entre los labios de las grietas existentes en las paredes de los edificios. Cada unidad extensométrica puede albergar en su interior dos o tres sensores que miden el desplazamiento lineal en la dirección del propio sensor con una precisión de ±0,01 mm. En la figura 9 puede observarse un extensómetro de dos sensores (biaxial) y otro de un sensor (axial).

Tornillos de ajuste

Extensómetro Extensómetro con biaxial dos sensores

Extensómetro Extensómetro conaxial un sensor

Cortesía del GIT. UNIOVI.

Figura 9. Extensómetros de grietas (cortesía del GIT, UNIOVI).

Los extensómetros triaxiales (tres sensores), además de estas dos direcciones de movimiento, también miden el desplazamiento perpendicular a la pared.


9

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control La instalación de varios de estos equipos en edificios permite estudiar, además de las variaciones en cada una de las grietas, el comportamiento general de la estructura, discriminando las zonas más afectadas de la misma. 5.1.6 Inclinómetros de pared Estos instrumentos permiten detectar la inclinación o basculamiento de los elementos donde se instalan según dos canales, uno paralelo y otro perpendicular a la misma, tal y como se indica en la figura 10.

Figura 10. Inclinómetro de pared.

Su precisión es de 0,001º y se emplean comúnmente para monitorear la pérdida de verticalidad en elementos estructurales debido a diversas causas, entre las que se encuentran los movimientos del terreno (Figura 11).

Figura 11. Ubicación de inclinómetros en diferentes estructuras.

5.2 Control de movimientos en el interior del terreno Algunos asentamientos y movimientos del terreno que se generan en las inmediaciones de taludes y laderas inestables, pueden ser detectados y medidos utilizando las técnicas de control superficial descritas anteriormente. Sin embargo, se han desarrollado técnicas e instrumentos de alta precisión que permiten medir no solo los movimientos del terreno en superficie, sino a gran profundidad. Entre dichos instrumentos se encuentran los siguientes: 5.2.1 Extensómetros Sonda extensométrica “INCREX” Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González

10

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control La sonda INCREX es una sonda extensométrica móvil capaz de tomar medidas de deformaciones de alta precisión en el sentido longitudinal de un sondeo, lo que permite detectar los movimientos verticales del terreno en las inmediaciones del sondeo. En la figura 12 puede observarse una sonda INCREX junto con la unidad de captación de datos y el cable de conexión. En esta misma figura se muestra una sección longitudinal de la sonda en el interior de la tubería de medida.

Cortesía del GIT. UNIOVI. Cortesía del GIT. UNIOVI. Figura 12. Sonda extensométrica INCREX (cortesía del GIT, UNIOVI).

La sonda INCREX requiere que el sondeo se haya entubado con una tubería de material plástico (ABS) especialmente diseñada para el paso de la sonda a través de unas guías. Esta tubería lleva en su parte externa unos anillos de bronce con diámetros interior y exterior de 70 y 80 mm respectivamente, espaciados a intervalos de 1 m. El espacio anular que queda entre la tubería y la pared del sondeo se rellena con mortero, garantizando un anclaje solidario entre ambos, de modo que cualquier movimiento del terreno se transmita al equipo y pueda ser registrado. La sonda detecta variaciones de posición entre los anillos (alejamientos o acercamientos), basándose en inducciones electromagnéticas entre las bobinas de alta precisión situadas en el interior de la sonda y los anillos metálicos (Figura 13).


11


Figura 13. Esquema de la sonda INCREX en el sondeo.

Extensómetros de inyección Otro de los métodos comúnmente empleado en el control de los movimientos verticales del terreno consiste en la instalación de extensómetros de inyección en el terreno. Dichos equipos se alojan en el interior de sondeos verticales, fijándose los sensores a diferentes distancias de la cabeza del extensómetro. La medida del desplazamiento de estos puntos respecto a la cabeza del extensómetro determina el movimiento relativo del terreno con una precisión de hasta  0,01 mm. Sin embargo, estos equipos únicamente pueden emplearse para detectar movimientos superficiales, ya que tienen una longitud máxima de aproximadamente 8 m. Como consecuencia, suelen emplearse de forma complementaria a las mediciones con la sonda INCREX (Figura 14).


12



Figura 14. Extensómetros de inyección.

Sonda inclinométrica Este sistema permite medir desplazamientos a lo largo de planos perpendiculares al sondeo. Así, si el sondeo es vertical se obtendrá la desviación de verticalidad (inclinación) que se traduce en movimientos horizontales del talud o ladera (Figura 15).

Tapa de protecc

Pernos mo Cemento Sondeo

Gravilla y are gruesa

Sonda Lectura

Tubería inclinométrica

Empalme

Tapón de fondo

Figura 15. Sondas inclinométricas.

Cemento

La sonda inclinométrica complementa perfectamente al sistema INCREX, de forma que combinando los datos obtenidos con ambos sistemas, se pueden Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González

13

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control determinar los desplazamientos producidos en las tres direcciones del espacio. Puede introducirse en los sondeos preparados para el extensómetro INCREX. Generalmente, se tomará como punto fijo en el terreno uno de los extremos del sondeo, determinando las desviaciones que sufre el eje del sondeo respecto a su posición original (definida por una medida de referencia) a lo largo del tiempo. Tapa de protección Tapa de protección

En la figura 16 se muestra un esquema de la sonda inclinométrica en el interior de un sondeo entubado, en la que se puede apreciar el sistema de guías en la tubería descrito anteriormente.

PernosPernos montaje trípode montaje trípode

Gravilla y arena Gravilla y arena gruesagruesa

Tubería inclinométrica inclinométrica Tubería Ruedadede Rueda referencia referencia

Sonda

Lectura SondaSonda Lectura

Guía Guía

Tubería Tubería inclinométrica inclinométrica

Empalme Empalme

Tapón de fondo Tapón de fondo

Figura 16. Sonda inclinométrica en el interior de un sondeo.

Extensómetro de cable Son muy recomendables cuando los movimientos horizontales del terreno superan los 10 ó 20 cm y las deformaciones del entubado impiden el uso adecuado de los inclinómetros. En la figura 17 se muestra un tipo especial de extensómetro de cable que permite registrar grandes deformaciones.

Figura 17. Esquema general de un extensómetro de cable (tomado de Gili Ripoll J.A, 2003). Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González

14

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control Dicho extensómetro consiste en un cable de acero envainado, que se ancla dentro de un sondeo, por debajo de la superficie de deslizamiento del talud o ladera. El cable se mantiene tenso mediante un contrapeso y una polea, de la cual se registra el giro o mediante un potenciómetro. La variación aparente de la longitud del cable, sin embargo, no es exactamente igual a la traslación de la ladera, dado que existe una primera fase no lineal, incluso negativa, que depende de la profundidad, ángulo y grosor de la zona de rotura, del diámetro del sondeo y de su deformación en dicha zona (Gili Ripoll J.A, 2003). Otra ventaja de este extensómetro es que permite el registro continuo de las deformaciones. 5.3 Medición de presiones en el interior del terreno 5.3.1 Ensayo de presiometría Son ensayos de carga “in situ”, que se realizan aprovechando las perforaciones de los sondeos para conocer la relación tensión-deformación en el interior del terreno (Figura 18).

(a) Presiómetro Tipo Oyo

(b) Presiómetro Tipo Ménard

Figura 18. Presiómetros.

Los ensayos se realizan mediante una sonda cilíndrica que se introduce en el sondeo y se expande radialmente al aplicarle presión a un fluido en el interior de una camisa elástica. Para que los datos obtenidos sean fiables, es necesario que las perforaciones en las que se realice el estudio sean de diámetro regular y de alta calidad, sin rugosidades ni rebarbas. La sonda se sitúa en la zona a analizar y se procede a incrementar gradualmente la presión de la misma. En función de la presión ejercida, se obtienen datos sobre la deformación que sufre el terreno. A continuación se presentan los datos técnicos y características principales de uno de los equipos más utilizados para la realización de mediciones presiométricas. Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González

15

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control 

Sonda presiométrica (modelo Elastmeter 2 de OYO Corporation) constituida por un cilindro metálico con una membrana o camisa interior de caucho, intercambiable en función del tipo de terreno donde se realice el ensayo.



Conducciones de agua de alta presión (modelo 4153), cuyas principales características técnicas son las siguientes



Cable de control (modelo 04181-0502)

Los aditamentos que se deben conectar a la sonda presiométrica para realizar los ensayos son los siguientes: 

Bomba hidráulica manual dotada de una válvula anti retorno con la que se inyecta el fluido entre el núcleo metálico de la sonda y la membrana o camisa deformable.



Lector digital que registra las presiones ejercidas y los desplazamientos que se producen en los calibres de la sonda para cada una de estas presiones.

El conjunto del presiómetro y sus accesorios puede observarse en la figura 18 (a). 5.3.2 Células de presión (o de carga) Se utilizan para medir la presión en el interior del terreno o la presión que el terreno ejerce sobre estructuras de contención, sostenimiento de túnenles y galerías mineras, etc., mediante el principio de contrapresión hidráulica (Figura 19).

Figura 19. Células de presión.

5.3.3 Células de inclusión rígidas (CIR) Permiten medir la presión en el interior de sondeos mediante galgas extensométricas. Las células poseen una placa de ajuste que garantiza un anclaje solidario con el terreno, de modo que las variaciones en las presiones se transmitan al equipo y puedan ser registradas (Figura 20).


16


Figura 20. Células de inclusión rígidas.

5.4 Medición de presiones y niveles de agua en el terreno 5.4 1 Piezómetros El piezómetro es un aparato que mide la carga de presión del agua en un punto. La mayoría de los piezómetros trabajan con el principio de equilibrar con alguna clase de contrapresión, la presión que el agua en el interior del terreno ejerza al actuar sobre una unidad sensible. Según el tipo de contrapresión que se utilice se tendrá diversos tipos de piezómetros, entre los que se pueden citar: el piezómetro abierto tipo Casagrande; piezómetro cerrado tipo neumático; y los piezómetros eléctricos y de cuerda vibrante (Figura 21).

Piezómetro tipo Neumático, ITMSOIL. Piezómetro tipo Casagrande, SISGEO.

Piezómetros y transductores. SISGEO.

Figura 21. Diferentes tipos de piezómetros y transductores.

En los estudios de estabilidad de taludes y laderas es recomendable realizar, siempre que sea posible, un control del nivel piezométrico aprovechando la presencia de sondeos y pozos. Para ello, además de los piezómetros abiertos, Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González

17

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control se emplea un sensor que emite una señal acústica al contacto con el agua (Figura 22), pudiendo establecerse de este modo la profundidad de la lámina de agua respecto a la superficie.

SISGEO


Figura 22. Sondas piezométricas.

Otro método comúnmente empleado consiste en introducir, en el fondo de un sondeo, un sensor (piezómetro) capaz de medir la presión de la columna de agua ( p ). A partir de este dato puede calcularse fácilmente la altura del agua mediante la siguiente ecuación:

p   w  Hw Donde: p : Presión que ejerce la columna de agua.

 w : Peso específico del agua. H w : Altura de la columna de agua.

Piezómetros-Lápiz Son equipos de última generación constituidos por sondas con memoria (USB) que se introducen en el sondeo (sujetos por un cable de acero) y el mismo sensor toma automáticamente los datos. Para descargar los datos, hay que sacarlos del sondeo y conectar el sensor a una computadora. Actualmente la lectura de la mayoría de los piezómetros, transductores y sondas piezométricas puede hacerse de manera continua, usando centrales de captación y transmisión de datos (Figura 23).


18


Figura 23. Piezómetro conectado a una central de captación y transmisión de datos.

6. Lectura, registro y procesamiento de datos Las técnicas y procedimientos de instrumentación que permiten monitorear con cierta automatización se pueden clasificar en dos grupos: 

Semiautomáticos



Totalmente automáticos

Los sistemas semiautomáticos se utilizan en aquellos casos donde no siempre es necesaria la captación, transmisión y análisis constante de los datos. Estos sistemas dependen básicamente de las lecturas realizadas directamente con el instrumento. Por tanto, muchas veces las mediciones se hacen personalmente “in situ”, de forma manual y con una frecuencia que va desde semanal hasta una vez por mes, dependiendo del estado de la estabilidad del talud o ladera estudiado (Figura 24). 0

0

5

5

10

10

15

15

20

20

25

25

30

30

04/03/20 02 18 / 0 4 / 2 0 02 0 5/ 0 6 / 2 0 02 0 3 / 0 7/ 2 0 02 2 4 / 0 7/ 2 0 02 18 / 0 9 / 2 0 02

04/03/20 02 18 / 0 4 / 2 0 02 0 5/ 0 6 / 2 0 02 0 3 / 0 7/ 2 0 02 2 4 / 0 7/ 2 0 02 18 / 0 9 / 2 0 02

35 40 - 2 0- 4 0 0 - 2 0 2 0 0 4 0 2 0 Z A( mm) M IEN T O ( mm) D ESPLA Z ADMESPLA IEN T O

35 -40

Cortesía del GIT, UNIOVI

Figura 24. Lectura a) y registro de datos una sonda inclinométrica. Lecturasemiautomático de datos b)con Desplazamientos en 6

a) Lectura de datos

b) Desplazamientos en 6

Los sistemas totalmente automáticos permiten medir lameses evolución de los meses GIT. UNIOVI. CortesíaCortesía del GIT.del UNIOVI. España.España. movimientos del terreno y las estructuras, monitoreándolos de manera segura a Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González

19

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control distancia, lo que ahorra tiempo y costo de operación. Estos sistemas conectan los sensores con las computadoras en la oficina y transmiten los datos por cable, teléfono, o radio. Cuando existe un riesgo elevado de que ocurran pérdidas y daños por inestabilidades de taludes y laderas, resulta recomendable automatizar totalmente la adquisición de datos con el objeto de obtener un seguimiento en tiempo real de los cambios que se producen en el terreno y las estructuras cercanas. Los sistemas de captación y transmisión automática total se basan en la instalación de módulos capaces de convertir la señal analógica de los sensores de cada equipo en caracteres digitales, los cuales son enviados mediante un protocolo de comunicación a un modem, conectado a una computadora central, donde un software específico procesa y grafica los datos recogidos (Figura 25).

Figura 25. Esquemas de captación automática de datos y gráficos de lecturas.

Entre las múltiples ventajas que ofrece este sistema destacan: 

Posibilidad de análisis en tiempo real de los posibles movimientos



Se evitan problemas de accesibilidad a los equipos, ya que no es necesario visitar el lugar donde se encuentran para obtener las lecturas



Permite colocar señales de precaución y alarma si se considera necesario.

Para la interpretación de los datos recogidos por los módulos, se diseñan software que permite representar de forma automática los movimientos experimentados. En la figura 26 se muestran las gráficas que corresponden a los datos tomados por un grupo de extensómetros de cuerda ubicados en una ladera a cientos de kilómetros de la computadora donde son registrados e interpretados. En dichos gráficos se puede observar tanto la magnitud del movimiento registrado por cada uno de los sensores, como el periodo de tiempo durante el cual ha tenido lugar.


20


Cortesía del GIT. UNIOVI. España.

Figura 26. Ubicación y lecturas de extensómetros de cuerda en una ladera.

7. Observaciones sobre la interpretación y uso eficiente de la instrumentación Como se ha visto en los apartados anteriores, la auscultación y el control del comportamiento del terreno son herramientas indispensables para el análisis de la estabilidad de taludes y laderas; y para evitar el impacto negativo de estos fenómenos en las estructuras e infraestructuras cercanas. Para estudiar el comportamiento de una ladera y de las obras en su entorno con el uso de la instrumentación y obtener lecciones valiosas con su utilización, es necesario colocar instrumentos que midan no sólo los efectos sino también las causas, a través de la medición de las variables internas o causales de dicho comportamiento (Mendoza López M.J et al., 2002). Si la instrumentación se limita a medir efectos tales como desplazamientos, apertura de grietas o hundimientos, el estudio adopta un enfoque fenomenológico que solo dará respuestas parciales al no establecerse la relación entre las causas y los efectos de la inestabilidad. La información recopilada mediante las técnicas y procedimientos descritos anteriormente, permitirá estudiar el problema y encontrar soluciones, solo si son interpretados adecuadamente y se vinculan con el uso de diferentes modelos numéricos de cálculo. Para que un proyecto (o estudio) de estabilidad de taludes y laderas pueda estimar adecuadamente la respuesta del terreno y de las estructuras colindantes, debe contar no solo con las herramientas de cálculo adecuadas para modelar la problemática existente, sino alimentar los modelos utilizados con información precisa obtenida durante los procedimientos de instrumentación y control. Por otro lado, la importancia de la instrumentación y el control como sistema de alerta temprana es innegable para la prevención de desastres y/o mitigación de Dr. Ing. Aldo Onel Oliva González

21

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control daños producidos por deslizamientos de tierra. El monitoreo de taludes y laderas inestables o con riesgo de serlo, permite determinar la velocidad del movimiento de masas de suelo y roca, y detectar manifestaciones tempranas de movimientos catastróficos. Si se utilizan sistemas automáticos de monitoreo en tiempo real, los ingenieros civiles y otros especialistas de campos afines podrían anticipar posibles eventos catastróficos. Muchos de los términos empleados para tratar estos temas son similares a los utilizados en medicina porque, en estos casos, el terreno debe verse como un ser vivo que no puede sufrir tensiones y deformaciones por encima de las admisibles para su buen funcionamiento. Al igual que en la medicina, es necesario seguir un procedimiento que comienza con la auscultación y culmina con un diagnóstico de los problemas, que permitirá tomar las medidas necesarias para evitar que las posibles afecciones superen los niveles permisibles (González Nicieza, 2007). Además, será necesario mantener un control (permanente o frecuente) del terreno hasta que éste alcance un comportamiento normal o desaparezcan los agentes externos que constituyen amenazas. No debemos olvidar que los problemas en el terreno se transmiten rápidamente hacia los edificios y otras estructuras construidas sobre el mismo. Antes de la aparición de daños y deterioros visibles, tienen lugar una serie de cambios en el terreno que nuestros sentidos no son capaces de detectar y la simple observación no es suficiente, en la mayoría de los casos, para encontrar las evidencias que nos ayuden a prevenir o mitigar los problemas. En consecuencia, cuando existe un riesgo potencial de afección se requiere la utilización de equipos que nos permitan prevenir la aparición de daños mediante el control de una serie de parámetros en el terreno, entre los que destacan: 

Deformaciones y desplazamientos



Tensiones



Profundidad del nivel freático, etc.

Estas mediciones permiten predecir las posibles afecciones y monitorizar la evolución antes, durante y después de los desórdenes, lo que constituye una valiosa herramienta para prevenir y/o mitigar los daños producidos por inestabilidades del terreno. 8. Referencias bibliográficas - Gili Ripoll J.A, 2003. Instrumentación para control de movimientos de ladera: sistema GPS y otros. En: Operatividad de la instrumentación en aguas subterráneas, suelos contaminados y riesgos geológicos. IGME. Madrid, España. - González Nicieza C., Oliva A. O. y Álvarez M. I., 2007: “Daños en edificios por obras en su entorno”. Revista PERICIA No 34, España. - Mendoza López M.J., Domínguez Morales L., Noriega Rioja I., Guevara Ortiz E., 2002. Monitoreo de laderas con fines de evaluación y alertamiento. Informes Técnicos. CENAPRED. México. 80p.


22

Ingeniería del Terreno Instrumentación y Control - Reséndiz D., 2003: “Agua Prieta landslides: Assessment upon 15-years monitoring”. Serie de Investigación y Desarrollo SID/634. Instituto de Ingeniería, UNAM, México. - Rico A y Del Castillo H., 1986: “La ingeniería de suelos en las vías terrestres”, Fallas ligadas a la estabilidad de laderas naturales, Tomo I, pp. 282-296, 403452, 265-268, 258-260, Editorial Limusa. - Rodríguez Soto, A., 2003. La instrumentación y su relación con la caracterización geotécnica del terreno a controlar. En: Operatividad de la instrumentación en aguas subterráneas, suelos contaminados y riesgos geológicos. IGME. Madrid, España. - Oteo, C., 1978, Técnicas de instrumentación en Mecánica de Rocas. Boletín de la Sociedad Española de Mecánica de Suelos y Cimentaciones, nº 34, pp. 3-38. 8.1. Bibliografía de consulta - Corominas; J.; Moya, J.; Lloret, A.; Gili, J.A.; Angeli, M.G.; Pasuto, A. and Silvano, S., 2000. Measurement of landslide displacements using a wire extensometer. Engineering Geology 55, pp. 149-166. - Dunnicliff J., 1993. “Geotechnical Instrumentation for Performance”, Jonh Wiley & Sons, Inc. New York.

Monotoring

Field

- Mikkelsen, P.E., 1996. Field instrumentation. Chapter 11 in Landslides investigation and mitigation. A.K.Turner and R.L.Schuster (Editors). T.R.B. Special Report 247. National Academy Press, Washington.D.C., pp. 278-316.


23

Instrumentación y control de taludes y laderas

Recommend Documents