Universidad Nacional de Cajamarca Facultad de Ingeniería Escuela Académico Profesional de Ingeniería Hidráulica TEMA: MONITOREO E INSTRUMENTACION GEOTECNICA EN ESTABILIDAD DE TALUDES ASIGNATURA :
GEOLOGIA APLICADA
DOCENTE
:
Ing. Wilver Morales Céspedes
ALUMNO
: LLICÁN CENTURIÓN, Carlos Rolando
CICLO
:
VI
Cajamarca, Noviembre del 2012
INTRODUCCION Se conoce con el nombre genérico 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 vía (tanto en excavaciones con terraplén) con una inclinación tal que garanticen la estabilidad de la obra. Los taludes tienen zona de emplazamiento que comprende, además de la vía, una franja de terreno a ambos lados de la misma. Su objetivo es tener suficiente terreno en caso de ampliación futura de la carretera y atenuar en gran medida, los peligros de accidentes motivados por obstáculos dentro de dicha zona, los cuales deben ser eliminados. Cuando el talud se produce en forma natural, sin intervención humana, se denomina ladera natural o simplemente ladera. Cuando los taludes son hechos por el hombre se denominan cortes o taludes artificiales, según sea la génesis de su formación; en el corte, se realiza una excavación en una formación térrea natural, en tanto que los taludes artificiales son los inclinados de los terraplenes. También se producen taludes en los bordes de una excavación que se realice a partir del nivel del terreno natural, a los cuales se suele denominar taludes de la excavación. No hay duda de que el talud constituye la estructura más complejo de las vías terrestres; por eso es preciso analizar la necesidad de definir criterios de estabilidad de taludes entendiéndose, por tales algo tan simple como el poder decir en un instante dado cuál será la inclinación apropiada en un corte o en un terraplén. A diferentes inclinaciones del talud corresponden diferentes masas de material térreo 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 éstos 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 cómo se formó el talud y de su historia geológica, de las condiciones climáticas 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 geotécnicas pueden fallar con consecuencias catastróficas en cuanto a vida y propiedad. Este tipo de fallas puede ocurrir por sobrecarga, errores de diseño, construcción con deficiencias, deterioro, etc. - El monitoreo puede servir para dar aviso y salvar vidas. Entregar avisos - Sistemas de instrumentación pueden ser instalados para entregar aviso que algún indicador ha excedido límites aceptables. - Estos instrumentos pueden ser parte de un sistema autónomo que automáticamente gatille la alarma. Revelar incertidumbres - Como ingenieros geotécnicos se trabaja constantemente con incertidumbres, las cuales pueden llevar a fallas catastróficas. - Siempre existirán incertidumbres en los proyectos geotécnicos; se instrumenta para observar el comportamiento real de la obra. Minimizar daños a estructuras adyacentes - Por ejemplo, monitoreando el desplazamiento lateral de una excavación. Control de la construcción - Instrumentación puede ser usada para monitorear el progreso de cierto desempeño geotécnico para controlar así la actividad constructiva. Mejorar el estado del conocimiento - Mucho de los avances en la ingeniería geotécnica tienen sus raíces en datos obtenidos de instrumentación de proyectos a escala real. FACTOR DE SEGURIDAD Un talud de arena limpia es estable cualquiera sea su altura, siempre que el ángulo β entre el talud y la horizontal sea igual o menor que el ángulo de fricción interna φ de la arena en estado suelto. El coeficiente de seguridad del talud con respecto a su deslizamiento puede expresarse por la relación siguiente.
El factor de seguridad mínimo contra la falla por capacidad de carga de un terraplén, 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 aumentará el factor de seguridad más allá del calculado para un talud sin refuerzo. Para el caso en donde se encuentren factores de seguridad menores que uno, será necesario llevar un procedimiento de construcción muy cuidadoso, ejecutarlo por pasos, con bermas laterales, particularmente en el caso de turbas o rellenos suaves. Otras estrategias podrían ser la pre consolidación, con o sin drenes verticales, la remoción de esos suelos blandos y su sustitución o bien la compactación in situ, pudieran ser adecuadas, sin embargo, los beneficios del uso de los refuerzos podría venir en el permitir la circulación sin problemas de la maquinaria de construcción, para levantar o construir el terraplén, empujando las capas de suelo sobre de la capa o capas de refuerzo. La pérdida de material, por incrustación, al comenzar un relleno sobre suelos blandos es muy alta, y el refuerzo permite dichos ahorros, además de permitir el iniciar adecuadamente el relleno. También deberá de notarse que la compresión y la consolidación de los suelos blandos, una vez que el terraplén haya sido construido, aumentará el factor de seguridad contra la falla por capacidad de carga al paso del tiempo, por lo cual, la parte más crítica en la construcción de un terraplén sobre suelos blandos, será el final de la fase de construcción. 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 máxima (pico). Existe evidencia que en este tipo de suelo, las fallas de los taludes pueden ser del tipo progresivo y que en un período 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 años a ángulos que son más altos de los que corresponderían a la movilización de solamente la resistencia residual. La experiencia y práctica local es la mejor guía para el diseño apropiado en este tipo de suelos. - Loess: Debido a que este tipo de depósito contiene canales interconectados formados por raíces de plantas deterioradas, tiene una alta permeabilidad en la dirección vertical. A menos que se prevenga la infiltración vertical, el agua que discurre hacia abajo a través del suelo puede destruir las uniones pobremente cementadas entre partículas, causando erosión rápida y falla del talud. Taludes en este suelo son más estables cuando son cortes verticales para prevenir las infiltraciones. Se utilizan banquetas a intervalos para reducir el ángulo 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 infiltración. La experiencia y práctica local son la mejor guía para el espaciamiento de las banquetas y para la protección de dichos taludes contra la infiltración y la erosión. - Suelos Residuales: Los suelos residuales presentan, en lo que se refiere a la estabilidad de sus taludes (naturales y artificiales), algunas particularidades. En conexión con la estabilidad de los taludes en los suelos residuales existen tres conceptos que desempeñan un papel muy importante; estos son el perfil de meteorización, las estructuras heredadas y, naturalmente, el efecto del agua subterránea. El perfil de meteorización 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 será preciso considerar también ciertos perfiles de suelos no propiamente formados “in situ”, sino con mayor o menor grado de transporte, tales como los perfiles en depósitos de talud, de piemonte, coluviales, etc.; la razón es que estos perfiles y sus condiciones de estabilidad son tan similares a los de los suelos residuales que no resulta conveniente su separación. El perfil de meteorización se forma tanto por ataque mecánico como por descomposición química. Puede variar en forma considerable de un sitio a otro, sobre todo por variaciones locales en el tipo y estructura de la roca, topografía, condiciones de erosión, régimen de aguas subterráneas y variaciones locales de clima, especialmente en régimen e intensidad de lluvias. En casi todas las rocas metamórficas e ígneas intrusitas, el perfil de meteorización 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 pérdida dramática de resistencia al ser alteradas, pudiendo fluir al estar completamente remoldeadas. Debido al efecto de perturbación durante el muestreado, puede resultar difícil el determinar su resistencia cortante representativa en ensayos de laboratorio. La experiencia local es la mejor guía de la confiabilidad de los resultados de la resistencia cortante de laboratorio en dichas arcillas.
ESTUDIO GEOLOGICO E INVESTIGACION GEOTECNICA Se realizan estudios geológicos detallados e investigaciones de sitio para obtener la información requerida para el análisis de nuevos taludes y el planeamiento de medidas correctivas en deslizamientos. El primer paso en el programa de exploración de campo es realizar un reconocimiento geológico, incluyendo un mapeo de campo del área. Las notas de campo deben registrarse en un mapa topográfico a gran escala. El reconocimiento debe anotar la uniformidad de la topografía, infiltración, existencia de trazas de deslizamientos antiguos, verticalidad de árboles y la condición de los taludes aledaños. La localización de las perforaciones o calicatas debe planearse y fijarse en el campo durante esta etapa de la investigación. Debe planearse un número suficiente de sondajes, de modo de obtener información detallada de la superficie y del subsuelo del área en estudio. Algunas veces debido a la topografía accidentada, el acceso del equipo puede ser difícil, por lo que puede necesitarse equipo especial montado en camiones. Se prefieren sondajes de gran diámetro a los de diámetro pequeño al perforar en área sujetas a deslizamientos, debido a que es a menudo posible el localizar el plano de falla, al examinar las muestras de una
perforación de gran diámetro. Las zonas de corte o “slickensides” proporcionan evidencias de movimientos en el pasado. Se deben tomar muestras inalteradas a profundidades seleccionadas en la perforación 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 geólogo entre en la perforación para examinar los lados de la misma en busca de zonas de falla, evidencia de movimientos o infiltración. La perforación en este caso, por precaución, deberá estar entubada. Las profundidades de los sondajes deberán extenderse por debajo del pie del talud, y de ser posible, deberán llegar a suelo firme o roca. Para obtener información del nivel freático, los sondajes deben tener entubado perforado y relleno de grava, de modo que puedan realizarse mediciones a largo plazo de las fluctuaciones del nivel freático. También pueden instalarse piezómetros en localizaciones seleccionadas para medir presiones de poro. Algunas veces se pueden instalar piezómetros en sondajes, una vez que el muestreo se ha realizado. En base al reconocimiento y a la información de los sondajes, deben dibujarse perfiles de la superficie y del subsuelo, indicando condiciones del suelo y el nivel freático. En los perfiles se deben indicar los pesos unitarios, ensayos de clasificación y de resistencia de laboratorio.
ESTABILIZACIÓN La estabilización de un talud comprende los siguientes factores: 1. Determinar el sistema o combinación de sistemas de estabilización más apropiados, teniendo en cuenta todas las circunstancias del talud estudiado. 2. Diseñar en detalle el sistema a emplear, incluyendo planos y especificaciones de diseño. 3. Instrumentación y control durante y después de la estabilización. Debe tenerse en cuenta que en taludes, nunca existen diseños detallados inmodificables y que las observaciones que se hacen durante el proceso de construcción tienden generalmente, a introducir modificaciones al diseño inicial y esto debe preverse en las cláusulas contractuales de construcción. Los sistemas de estabilización se pueden clasificar en cinco categorías principales:
1. Conformación 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 Métodos que tratan de impedir la infiltración o la ocurrencia de fenómenos superficiales de erosión, o refuerzan el suelo más 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 subterránea Sistemas tendientes a controlar el agua y sus efectos, disminuyendo fuerzas que producen movimiento y / o aumentando las fuerzas resistentes.
4. Estructuras de contención Métodos en los cuales se van a colocar fuerzas externas al movimiento aumentando las fuerzas resistentes, sin disminuir las actuantes. Las estructuras de contención son obras generalmente masivas, en las cuales el peso de la estructura es un factor importante y es común 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 diseñar de acuerdo a su comportamiento particular.
5. Mejoramiento del suelo Métodos que aumenten la resistencia del suelo. Incluyen procesos físicos y químicos que aumentan la cohesión y/o la fricción de la mezcla suelo-producto estabilizante o del suelo modificado.
INSTRUMENTACION Y CONDICIONES DE APLICACIÓN Para llevar a cabo la auscultación de un talud es necesaria la selección de las magnitudes a medir, de los puntos de medida y de los instrumentos adecuados, además de una correcta instalación, registro e interpretación de las medidas. La instrumentación permite comprobar el comportamiento del talud y verificar los modelos y análisis de estabilidad realizados. Previamente a los trabajos de instrumentación, es necesario conocer las características y propiedades de los materiales que forman el talud, mediante un estudio previo con observaciones de campo, toma de datos, realización de ensayos de laboratorio, análisis de estabilidad, etc. Las magnitudes que habitualmente se miden en los trabajos de auscultación son: - Movimientos superficiales - Movimientos en el interior del terreno - Movimientos de apertura de grietas y entre bloques - Presiones intersticiales y sus variaciones. MÉTODOS EMPLEADOS Las diferentes técnicas y métodos para la medida de magnitudes descritos a continuación. 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 él en conjunto, y conocer la dirección y velocidad del mismo. Los sistemas de medida de desplazamientos en superficie estarán condicionados por la precisión que se pretenda y por la magnitud de los movimientos.
Los movimientos en el interior se miden con inclinómetros y extensómetro. Además, de ser útiles para la medida de la velocidad y dirección del movimiento, estos sistemas permiten localizar las superficies de rotura. -
INCLINÓMETROS: Los inclinómetros deben alcanzar la zona estable situada debajo del plano de rotura más profundo. Estos aparatos constan de un torpedo que baja por una tubería especial previamente instalada en el interior del sondeo. El torpedo permite medir (por ejemplo, cada 50 cm) el ángulo que forma la tubería, 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, ésta suele quedar definida por cambios en los desplazamientos horizontales, lo que permite realizar el análisis a posterior correspondiente; si los desplazamientos son importantes, el tubo puede quedar cortado e impedir las medidas.
Los inclinómetros (Foto No 1) miden la desviación (inclinación) del sondeo en dos direcciones a ángulos rectos, proporcionando curvas de desplazamientos cuya inflexión denota la situación de los planos.
Foto No 1. Inclinómetro Modelo In Place Inclinometer (IPI). Cortesía EYE
-
EXTENSOMETRO: Los extensómetros (Foto Nº 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. Cortesía de EYE
La medida de movimientos de apertura de grietas y entre bloques rocosos se suele realizar mediante elementos mecánicos (calibre, cinta métrica, hilos, etc.) o mediante transductores eléctricos; 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 instalación de piezómetro en sondeos o pozos de reconocimiento. Todo lo anterior, solicita el empleo de programas de ordenador, los cuales permiten la modelización detallada y el análisis 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 análisis de casos complejos y de una gran variedad de condiciones hidrogeológicas, tensionales, etc., modelizándose también las medidas de estabilización. La instrumentación o auscultación de deslizamientos tienen por finalidad la vigilancia y la predicción del comportamiento de la ladera, además, de la obtención de datos sobre el proceso. La instrumentación debe orientarse fundamentalmente a la investigación de: - Situación de la superficie o superficies de rotura - Velocidad del movimiento, su variación y distribución de los desplazamientos en la ladera - Posición del nivel freático (Foto Nº 3) y presiones de agua.
Foto No 3. Sonda luminosa para medición portátil de nivel freático, Modelo KL010. Cortesía de Grobers.
Las características 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 diseño de medidas correctoras o mitigadoras. Las medidas de los desplazamientos y de la velocidad del movimiento pueden llevarse a cabo mediante instrumentación en superficie y en profundidad.
Los valores de la velocidad, es decir de los desplazamientos en función del tiempo, permiten también conocer la evolución de los procesos y en determinados casos, prever el desenlace de la rotura. Los piezómetros (Foto Nº 4) proporcionan la situación de los niveles piezométricos y las presiones de agua en los niveles en que se han instalados. Para conocer las presiones actuando sobre la superficie de rotura, éstos deben instalarse en el plano de deslizamiento o inmediatamente encima.
Foto No 4. Sensor del nivel de presión, modelo OTT PLS. Cortesía de Grobers, S.A.
3. Sistemas de Alarmas Consiste en la instalación de diversos sistemas o instrumentos, en superficie o en profundidad, con la finalidad de detectar movimientos o medir determinados parámetros relacionados con los movimientos. Los más frecuentes son: - Instalación de inclinómetros y piezómetros (Foto No 5) en deslizamientos o en laderas cuya inestabilidad supone riesgos importantes (por ejemplo, en zonas urbanizadas). - Instalación de redes de cables en laderas rocosas con peligro de desprendimientos.
Foto No 5. Instalación de un Magnetic
En el primer caso deben ser establecidos los valores tolerables (de desplazamientos en caso de inclinómetros o altura del agua en los piezómetro) a partir de los cuales se considera que los movimientos son peligrosos o que se puede producir la aceleración de los mismos. Es muy importante realizar correctamente la toma de datos, preferiblemente automática, y la interpretación de las medidas obtenidas, y las decisiones deben basarse en juicios expertos. En base a las medidas de los niveles piezométricos pueden establecerse correlaciones con las precipitaciones, lo que ayuda a definir los niveles o umbrales de alarma, en relación a precipitaciones máximas horarias o diarias o precipitaciones acumuladas durante días o semanas. 4. RADAR PARA MONITOREO DE TALUDES El manejo de los riesgos asociados con inestabilidad de taludes es esencial en operaciones seguras y económicas de minas a cielo abierto. Más 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 tecnología SSR es hoy considerada la mejor práctica de la industria minera mundial para el manejo de taludes inestables y con producción crítica. El SSR utiliza radar para escanear a distancia la pared del talud, continuamente monitoreando movimientos del talud. La tecnología detecta y alerta a los usuarios sobre movimientos del talud con una precisión sub-milimétrica. Las ondas del radar penetran a través de lluvia, polvo y humo, suministrando datos reales y en tiempo real las 24 horas del día. Los sistemas SSR han detectado y registrado alertas sobre movimientos en más de 200 caídas de roca y fracasos, que van desde pequeñas cuñas de falla con algunas toneladas hasta fracasos de más de treinta millones de toneladas, lo que cual le ha permitido a muchas operaciones obtener ganancias en productividad, planeación y seguridad. Perfil del Radar para Monitoreo de Taludes Capacidades y especificaciones del sistema de Radar para Monitoreo de Taludes: • Deformación de alta precisión +/-0.1mm (Desviación estándar). • Disco perforado y otras características las cuales permiten la operación en operaciones con fuertes vientos. • El rango de medición es 1700 metros. • Escanea 270 grados horizontalmente y 120 grados verticalmente. • Entre 1-30 minutos es la tasa de repetición para áreas de escaneo (varía según la zona que se está escaneando). • Tolerante a la vibración y a maquinaria minera. • El sistema pesa aproximadamente 1500 kg. • Monitoreo en tiempo real. • Sistema de alarma que alerta automáticamente 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 climáticas desde árticas 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 diseño del sistema de prevención control o estabilización. El monitoreo en taludes permite obtener información permanente de su comportamiento que nos permitirá prevenir riesgos durante los trabajos que se realicen.
REFERENCIA BIBLIOGRAFICA Tupak Ernesto Obando Rivera. Ingeniero en Geología. “Sistemas de Monitoreo y control de la Estabilidad de Taludes Rocosos y Suelos” (2009) Gonzáles Vallejos, L. et. al. (2002). Ingeniera Geológica. Editorial PEARSON EDUCACIÓN. Madrid. 744p. Jorge E. Alva Hurtado. Profesor Principal Facultad de Ingeniería Civil Universidad Nacional de Ingeniería. “Notas sobre análisis de estabilidad de taludes” (1994) Estabilidad de Taludes. Geología y Geotecnia. Álvaro F. De Matteis (2003)
