ESCUELA DE INGENIEROS MILITARES

TEC. MODERNAS DE VOLADURAS EN OBRAS DE ING. CIVIL Y MILITAR

MECANICA DE ROCASELABORO: LUIS ALFREDO GONZALEZ MORANTES - ALVARO GARZON TAUTA TALUDES EN ROCASTIPOS DE ROTURAS EN MACIZOS ROCOSOS Y SU REPRESENTACION ESTEREOGRAFICAEn el estudio de taludes excavados en macizos rocosos suele ser muy til la determinacin de las discontinuidades existentes para su posterior representacin estereogrfica junto con la representacin del propio talud. Observando las orientaciones de los juegos de discontinuidades y del talud puede llegarse a deducir mediante un anlisis sencillo cual ser el tipo de rotura predominante (ver figura). Adems, la proyeccin estereogrfica nos permitir en algunos de estos casos obtener las magnitudes angulares necesarias para el clculo del factor de seguridad del talud. Al representar en proyeccin estereogrfica la orientacin del talud y de las discontinuidades existentes en el mismo se puede llegar a intuir un tipo de rotura plana (figura a.)

Siempre que exista alguna familia de discontinuidades de direccin similar a la del talud pero buzamiento menor que este. La direccin del movimiento tras producirse la rotura ser perpendicular a la direccin del talud y en el sentido de buzamiento del mismo.La proyeccin estereogrfica proporciona una herramienta fundamental en el campo de la ingeniera geolgica y la mecnica de rocas. Su principal inters estriba en el hecho de que con ella podemos representar orientaciones (direccin) e inclinacin (buzamiento o inmersin) preferentes de elementos que en la naturaleza no se presentan con desarrollos geomtricos perfectos, como es el caso de un estrato, donde el plano de techo y de muro presentan irregularidades puntuales aunque con una tendencia general. Adems este tipo de representacin permite medir los ngulos de forma directa. Entre sus aplicaciones ms importantes se encuentra el reconocimiento de juegos de diaclasas en un afloramiento rocoso, la determinacin de la direccin y el buzamiento de un estrato, la determinacin del tipo de rotura en un movimiento de ladera, etc.

Si se representa en proyeccin estereogrfica la orientacin del talud a estudiar y de los juegos de diaclasas existentes en el mismo podremos estimar la posibilidad de ocurrencia de una rotura en cua cuando existen dos familias de discontinuidades con direcciones oblicuas respecto a la direccin del talud. La posible rotura en cua (figura b)

quedar comprendida entre la de las dos familias de discontinuidades. La direccin de avance de la cua ser la de la lnea de interseccin de ambos planos de discontinuidad, cuya inmersin y direccin se obtienen directamente de la representacin estereogrfica. Si una vez representados los datos de las familias de discontinuidades observamos que existen dos familias de discontinuidades con direcciones subparalelas a las del talud, una de ellas con un buzamiento muy suave y en el mismo sentido que el talud y una segunda familia con un gran buzamiento opuesto al del talud y ligeramente perpendicular al juego anterior, la primera familia delimitar los bloques rocosos y proporcionar la superficie sobre la que deslizarn o girarn los bloques en funcin del buzamiento que posean, generando un tipo de rotura con vuelco (figura c).

a) ROTURA PLANASe produce a favor de una superficie preexistente, que puede ser la estratificacin, una junta tectnica, una falla, etc. La condicin bsica es la presencia de discontinuidades buzando a favor del talud y con su misma direccin, cumplindose la condicin de que la discontinuidad debe estar descalzada por el talud ( > ) y su buzamiento debe ser mayor que su ngulo de rozamiento interno ( > ). En taludes excavados paralelos a la estratificacin, pueden tener lugar roturas planas por deslizamiento de los estratos; este tipo de rotura es tpica en macizos lutticos o pizarrosos, generndose los planos de rotura a favor de la esquistosidad. Los diferentes tipos de roturas planas dependen de la distribucin y caractersticas de las discontinuidades en el talud. Las ms frecuentes son:

Rotura por un plano que aflora en la cara o en el pie del talud, con o sin grieta de traccin.Rotura por un plano paralelo a la cara del talud, por erosin o prdida de resistencia del pie. b) ROTURA EN CUACorresponde al deslizamiento de un bloque en forma de cua, formado por dos planos de discontinuidad, a favor de su lnea de interseccin. c) VUELCO DE ESTRATOSSe produce en taludes de macizos rocosos donde los estratos presentan buzamiento contrario a la inclinacin del talud y direccin paralela o subparalela al mismo. En general, los estratos aparecen fracturados en bloques a favor de sistemas de discontinuidades ortogonales entre s. Este tipo de rotura implica un movimiento de rotacin de los bloques, y la estabilidad de los mismos no est nicamente condicionada por su resistencia al deslizamiento.OTROS TIPOS DE ROTURAS d)ROTURA POR PANDEO

Este tipo de rotura se produce a favor de planos de estratificacin paralelos al talud ( = ),con buzamiento mayor que el ngulo de rozamiento interno ( > ). La rotura puede ocurrir con o sin flexin del estrato; la condicin necesaria es que los estratos sean suficientemente esbeltos, en relacin con la altura del talud, para poder pandear. Este tipo de rotura suele darse en los taludes de muro de cortes mineras, al ser excavados paralelos a la estratificacin, cuando los planos presentan espaciados pequeos Pandeo de estratos en materiales lutticos con rotura de las placas de roca en su base

Las causas que pueden generar la rotura por pandeo son:

- Altura excesiva del talud.

- Existencia de fuerzas externas aplicadas sobre los estratos.

- Geometra desfavorable de los estratos.

- Existencia de presiones de agua sobre los estratos.

- Concentracin desfavorable de tensiones. e)ROTURA CURVA Para el anlisis de este tipo de rotura en macizos rocosos isotrpicos, muy alterados o intensamente fracturados y de baja resistencia pueden utilizarse los mtodos para rotura circular en suelos.REPRESENTACION ESTEREOGRAFICA

Mediante el empleo de la proyeccin estereogrfica, se puede determinar: la orientacin de una estructura lineal (foliacin, eje perforacin, etc.), la orientaciones de capas a partir de sondeos, el clculo de direcciones y buzamientos reales de planos (estratificacin, exfoliacin, esquistosidad, superficie de falla, etc.) a partir de valores aparentes, la homogeneidad de los ejes de pliegue en una determinada regin, la orientacin de un elemento antes de sufrir una basculacin, etc.

La proyeccin estereogrfica o equiangular tiene la gran ventaja de que con una sola proyeccin las relaciones angulares entre rectas y planos, que suponen generalmente los datos ms significativos, pueden determinarse de forma mucho ms sencilla y directa. La proyeccin estereogrfica proporciona una herramienta fundamental en el anlisis de estructuras planas y lineales en las que no interesa tanto su posicin real en el sistema geolgico como su la posicin relativa de unas respecto a otras. La posibilidad de trabajar con la proyeccin del crculo mximo (diagrama beta) o con la proyeccin de los polos (diagrama pi) nos proporciona dos formas diferentes de representar los mismos datos en funcin del problema que estemos resolviendo. Por contra, su principal deficiencia estriba en que dicha proyeccin no permite llevar a cabo un tratamiento estadstico de los datos, siendo entonces necesario recurrir a la proyeccin equiareal para la determinacin de los diagramas de concentracin de polos que nos dan las orientaciones preferentes de los planos o rectas.EJEMPLOS NUMRICOS

Falla Planar

Analizando la posibilidad de fallas planares se requieren las siguientes condiciones estructurales (Turner y Shuster, 1996):

1- La direccin de buzamientos de la discontinuidad deber ser similar a la direccin de buzamientos del talud (entre unos 20 aproximadamente), es decir, que el rumbo de la discontinuidad estar dentro de los 20 ms prximos al rumbo del talud.

2- El buzamiento de la discontinuidad deber ser menor que el del talud y el plano de falla deber cortar la cara libre del talud.

3- El buzamiento de la discontinuidad deber ser mayor que el ngulo de friccin de la superficie de contacto entre sus caras.

4- La extensin lateral de la masa en falla potencial deber estar definida por discontinuidades que no contribuyan en forma significativa a la estabilidad de la masa.

Bajo estas premisas se evala en primera instancia la posibilidad cinemtica de falla. Los datos del problema corresponden a los siguientes:

Altura del Talud: 30m.

Peso unitario: 2.2 Ton/m3.

Inclinacin de la parte superior del talud: 10

Orientacin del talud: 60/245 (Dip / Direction)Datos geolgicos estructurales: D1: 35/240; D2: 70/200 y E: 20/70 (D: Diaclasa, E: Estratificacin).ngulo de friccin promedio de las discontinuidades: : 30.Cohesin promedio en la discontinuidad D1: 2 Ton/m2.La representacin estereogrfica de los datos se muestra en la siguiente Red de SCHMIDT, empleando el software Dips v 5.1 de la casa Rocscience.

Analizando los criterios que definen la posibilidad cinemtica de que se presente una falla planar, se evidencia que esta puede ocurrir con las por la familia de diaclasas D1.Considerando lo anterior, de manera complementaria se presenta un anlisis determinstico de estabilidad, el cual esta basado en la formulacin definida en el Manual de Estabilidad de Taludes del INVIAS (1998), presentada a continuacin, basada en los trabajos de Turner y Shuster, 1996. Esta metodologa en trminos generales es la empleada por el programa computacional Roc plane v.2.0 de la Casa Rocscience, cuyos resultados son los siguientes:

Anlisis de Falla Planar. Tomado del Manual de Estabilidad de Taludes INV (1998)

Resultados Anlisis de estabilidad: Factos de seguridad (FS) = 1.04.

De acuerdo con los resultados obtenidos, para el escenario analizado las condiciones de estabilidad son limitadas, dado el bajo factor de seguridad determinado (cercano a uno).Falla en Cua

Considerando la posibilidad de fallas en cua, es necesario que se presenten las siguientes condiciones (Manual de Estabilidad de Taludes, INVIAS, 1998):

1- Trayectoria de la lnea de la lnea de interseccin prxima a la direccin de buzamiento de la cara del talud.

2- Inclinacin de la lnea de interseccin menor que le buzamiento del talud.

3- Inclinacin de la lnea de interseccin mayor que el ngulo de friccin de las superficies.

Partiendo de estos criterios, se plantea el siguiente ejemplo:Altura del Talud: 30m.

Peso unitario: 2.2 Ton/m3.

Inclinacin de la parte superior del talud: 10

Orientacin del talud: 50/45 (Dip / Direction)

Datos geolgicos estructurales: D1: 40/60; D2: 45/345 (D: Diaclasa).

ngulo de friccin de las discontinuidades: D1: 32, D2: 35.Cohesin de las discontinuidad CD1: 0.5 Ton/m2, CD2: 1.0 Ton/m2La representacin estereogrfica de los datos se muestra en la siguiente Red de SCHMIDT, empleando el software Dips v 5.1 de la casa Rocscience.

Segn lo mostrado en la red estereogrfica, los datos correspondientes a la interseccin de las dos familias de discontinuidades corresponden a: 37/29, que de acuerdo con los criterios expuestos inicialmente, cinemticamente es factible que se presente fallas en cua.Teniendo en cuenta lo anterior, de manera complementaria se presenta un anlisis determinstico de estabilidad, el cual esta basado en la formulacin definida en el Manual de Estabilidad de Taludes del INVIAS (1998), presentada a continuacin, basada en lo expuesto por Turner y Shuster, 1996. Esta metodologa en trminos generales es la empleada por el programa computacional Swedge v.4.0 de la Casa Rocscience, cuyos resultados son los siguientes:

Anlisis de Falla en Cua. Tomado del Manual de Estabilidad de Taludes INV (1998)

Anlisis de Falla en Cua. Tomado del Manual de Estabilidad de Taludes INV (1998)

Resultados Anlisis de estabilidad: Factos de seguridad (FS) = 1.16.

Geometra de la cua potencial de falla software Swedge v.4.0.

De acuerdo con los resultados obtenidos, para el escenario analizado las condiciones de estabilidad son limitadas, dado el bajo factor de seguridad determinado (cercano a uno).

Falla por Volcamiento

Para que se presente este mecanismo de falla se deben cumplir los siguientes requisitos en trminos generales:1. La direccin de buzamiento de la discontinuidad se encuentra desfasada con la direccin de buzamiento del talud 180 (+-30).2. El buzamiento del talud y de la discontinuidad son mayores a 65.

Ejemplo:Orientacin del talud: 65/270 (Dip / Direction)

Datos geolgicos estructurales: Discontinuidad: 75/95.

La representacin estereogrfica se presenta a continuacin.

Dados los criterios expuestos, es factible que se presente falla por Volcamiento.CONCLUSIONES Y/O RECOMENDACIONESEn consideracin al contenido del presente informe concluimos que el Especialista en Tcnicas Modernas de Voladuras esta en capacidad de analizar, identificar y clarificar los principales conceptos que se emitieron en el transcurso de este documento, como son los tipos de roturas en macizos rocosos y el estudio de taludes en rocas junto con su representacin estereogrfica, los dispositivos y las caractersticas de los software que se utilizan en los diferentes anlisis, junto con la informacin adicional bien sea topogrfica, geolgica y de uso del suelo, que constituyen respectivamente factores fundamentales para el diseo, localizacin y construccin de taludes.Se debe tener muy en cuenta:1. Leer e interpretar toda la informacin recopilada.

2. Responder a los requerimientos. Igualmente, desarrollar con destreza cada uno de los conocimientos adquiridos, para as resolver con xito las dudas y retos que se presenten.

3. Seguir una metodologa y un sistema de control adecuado durante todo el proceso.

4. El mejoramiento de la calidad de vida depende en forma directa del compromiso con todo lo que realicemos.

5. No decaer ante las dificultades encontradas.

Referencias: XIV Congreso Internacional de Ingeniera Grfica Santander, Espaa Junio de 2002 - APLICACIONES DE LA PROYECCIN ESTEREOGRFICA EN INGENIERA GEOLGICA - Roberto Toms Jover, Ignacio Ferreiro Prieto, Irene Sentana Gadea, M Carmen Daz Ivorra - Universidad de Alicante, Espaa - Escuela Politcnica, Departamento de Expresin Grfica y Cartografa. Manual de estabilidad de taludes. Instituto Nacional de Vas INVIAS. 1998.

Landslides: Investigation and Mitigation. Turner, A. K. y Shuster, R. L. 1996