Analisis de Estabilidad i - Intercade
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Descripción: Estabilidad de taludes, muy importante...
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ANALISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES I Mg. Miguel Llorente Isidro Consultor Intercade
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PROF. MIGUEL LLORENTE ISIDRO Geólogo por la Universidad de Salamanca. Diploma de Estudios Avanzados por la Universidad Complutense de Madrid. Máster - Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas de España. Doctorando en la Escuela Técnica Superior de Ing. De Minas de la Universidad Politécnica de Madrid. Técnico Superior Especialista en Riesgos Geológicos – Instituto Geológico y Minero de España. Más de diez años de experiencia en empresa, investigación y docencia.
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BIBLIOGRAFIA Llorente Isidro, M (2002, ed): Laderas y Taludes Inestables. Ediciones Universidad de Salamanca. 264pp. I.S.B.N.: 84-7800-742-3. González De Vallejo, L.I., Ferrer, M., Ortuño, L., Oteo, C. (2002). Ingeniería Geológica. Editorial Prentice Hall. Madrid. 744pp. ISBN 84-205-3104-9. Ayala, F.J.; Andreu, F.J.; Fe, M.; Ferrer, M.; de Simón, A.; Fernández, I.; Olalla, C.; Gómez, J.; Sanpedro, J. y Cienfuegos, F.J. 1987. “Manual de Taludes”. Serie Geotecnia. IGME. Madrid. 456 pp. ISBN 84-7474-391-5. Herrera Rodríguez, F. (2000): Análisis de estabilidad de taludes. Madrid. 32 pp. Suarez Díaz, Jaime. (1998): Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas tropicales. 550 pp. UIS. Instituto de Investigaciones sobre Erosión y Deslizamientos, Ingeniería de Suelos. Colombia. http://www.erosion.com.co/. Suarez Díaz, Jaime. (2009): Deslizamientos, Análisis geotécnico, Tomo 1. 582 pp. Universidad Industrial de Santander, UIS, Facultad de Ingenierías Físico Mecánica Escuela de Ingeniera Civil. ISBN-10: 958850404X. http://www.erosion.com.co/. Suarez Díaz, Jaime. (2009): Deslizamientos, Técnicas de Remediación, Tomo 2. 413 pp. Universidad Industrial de Santander, UIS, Facultad de Ingenierías Físico Mecánica Escuela de Ingeniera Civil. pp. ISBN-10: 9588504031 http://www.erosion.com.co/. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo. 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas. 3. Propiedades de las rocas y de los suelos. 4. Tipos de deslizamientos. 5. Criterios de rotura. 6. Proyección estereográfica. 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña). 8. Falla no estructuralmente controlada (ciruclar, mixta, pandeo). 9. Métodos numéricos. 10. Taller.
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INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo. 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas. 3. Propiedades de las rocas y de los suelos. 4. Tipos de deslizamientos. 5. Criterios de rotura. 6. Proyección estereográfica. 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña). 8. Falla no estructuralmente controlada (ciruclar, mixta, pandeo). 9. Métodos numéricos. 10. Taller.
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INDICE Introducción y método observativo • Definiciones y conceptos básicos. • Partes de los taludes y de las laderas. • Importancia de los estudios de estabilidad. • Factores de inestabilidad. • Reconocimiento de inestabilidades.
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DEFINICIONES Y CONCEPTOS BASICOS
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Talud y ladera: Masa de tierra con pendiente o cambios de altura significativos. Ladera: origen natural. Talud: origen antrópico (actuación humana sobre el territorio). Area comprendida entre una divisoria de aguas y una incisión hídrica, o una masa de agua, o una zona aclinal, etc. La “unidad” viene definida por: Los límites de las divisorias de aguas o por sus vertientes, Por su nivel de estabilidad Por la escala de observación,
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LADERA Masa de tierra con pendiente o cambios de altura significativos. Ladera: origen natural.
Laderas naturales con líneas de máxima pendiente muy paralelas suelen indicar la presencia de un accidente geológico (fallas o cabalgamientos)
Laderas y taludes se estudian de forma conjunta Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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TALUDES Masa de tierra con pendiente o cambios de altura significativo. Talud: origen antrópico, (actuación humana sobre el territorio). Según la naturaleza de los materiales Terraplén: natural ex situ granular suelto de poco diámetro (arena aprox.) Pedraplén: natural ex situ granulares sueltos de diámetro grava o superior (a veces más de 100 mm y menos de 900mm). Escollera: natural o artificial ex-situ de gran diámetro. Desmonte: naturales in-situ. Según su estabilidad Permanentes: se diseñan primando estabilidad a largo plazo (carreteras). Temporales: se diseñan primando estabilidad a corto plazo (minería).
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TALUDES
Temporales
Permanentes
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TERRAPLEN
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TERRAPLEN
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ESCOLLERA
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DESMONTE
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DESMONTE
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DESMONTE
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DESMONTE
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Deslizamiento (landslide) o movimiento del terreno Rotura y movilización de un talud o de una ladera. esfuerzo de corte excede al esfuerzo de resistencia del material. fuerza de gravedad. Nombres frecuentes: movimientos gravitacionales. movimientos en masa. movimientos del terreno. deslizamientos de tierra. corrimientos.
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Deslizamiento (landslide) o movimiento del terreno
Taiwan, 2010
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DESLIZAMIENTO Zaldivar, España, 2007
Santa Tecla, El Salvador, 2001
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DESLIZAMIENTO Yallourn, Australia, 2007
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DESLIZAMIENTO
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PARTES DE LOS TALUDES Y LADERAS
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PARTES DE UN TALUD Cabeza (escarpe), pie, altura, altura del nivel freático y pendiente. ZANJA DE CORONACION CABEZA
m NIVEL FREATICO
PENDIENTE
1
H ALTURA
ALTURA DE NIVEL FREATICO hw a) TALUD ARTIFICIAL
PIE DE TALUD (CORTE O RELLENO)
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PARTES DE UNA LADERA Cabeza (escarpe), pie, altura, altura del nivel freático y pendiente ESCAPE Y PLATAFORMA SUPERIOR
m
PENDIENTE PREDOMINANTE 1 H ALTURA
ALTURA DE NIVEL FREATICO
hw
PIE DE LADERA
b) LADERA NATURAL
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PARTES DE UNA LADERA INTERFLUVIO PENDIENTE DE PERCOLACION
PENDIENTE CONVEXA DE CREEP
LADERA DE CAIDA
TALUD DE TRANSPORTE
1
2
3
4
TALUD DE COLUVIONAMIENTO LIM FONDO FO ITE A ALUVIAL RM P AC ROX ION IMA DE DO LS D UE E LO 5 6 7
ESCARPE FONDO DE CANAL
8
9
Clasificación funcional de la ladera, , B, Dalrymple (1968).
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PARTES DE UNA LADERA Pedrero Plataforma
Cresta
Losa Rampa
Coronación Grieta de tensión Boque colgado
Estrato competente Estratificación
Cornisa Fisura
Repisa Voladizo
Cavidad
Voladizo
Estratos blando
Muro
Estratos Finos
Hendidura
Diaclasas
Pilar Talud de derrubios
Chimenea
Pie
Términos descriptivos de la ladera rocosa. P.G. Fookes & M. Sweeney (1976)
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PARTES DE UN DESLIZAMIENTO VC – altura de la ladera HC – longitud de la ladera D – profundidad de la superficie de ruptura LC - Largo de la ladera L – Largo del deslizamiento
Grietas de coronación
Grietas transversales Elevaciones transversales Grietas radiales CUERPO PRINCIPAL
Punta
Pié de la superficie de ruptura
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PARTES DE UN DESLIZAMIENTO A
Vista en planta
B
8 1
1. Ancho de la masa desplazada. 2. Ancho de la superficie de ruptura. 3. Largo de la masa desplazada 4. Largo de la superficie de ruptura. 5. Profundidad de la masa desplazada. 6. Profundidad de la superficie de ruptura. 7. Longitud total. 8. Largo de la línea central.
2
B 7 3 4
6 5
A IAEG-CL (1990)
Sección transversal Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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PARTES DE UN DESLIZAMIENTO
Zona de grietas radiales de compresión Lengua
Pie o lóbulo principal Punta
Lagunas (grietas transversales)
Coronación
Cuerpo Zona de grietas transversales de tracción
Pie o lóbulo secundario
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PARTES DE UN DESLIZAMIENTO
Holbeck Hall, Reino Unido 1993
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IMPORTANCIA ECONOMICA Y SOCIAL DE LOS ESTUDIOS DE ESTABILIDAD
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ESTABILIDAD DE TALUDES Análisis de taludes por: Disminución de costes ante una posible rotura. Aumento de la seguridad. Necesidad de realizar campañas adecuadas de campo y laboratorio. Conocimiento estabilidad labores mineras
en
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ESTABILIDAD DE LADERAS Y TALUDES Algunos de los desastres por deslizamientos más importantes (UNESCO) Año 1786 1786 1920 1933 1949 1963 1970 1985
Localización Sichuan (China) Calabria (S. Italy) Gansu (China) Sichuan (China) Tadzhikistan Vaiont (Italy) Huascaran (Peru) Armero (Colombia)
Tipo Terremoto, muro deslizado Terremoto, malaria Terremoto, invierno severo Terremoto, muro deslizado Terremoto Deslizamiento en lago dañado Terremoto, avalancha de debris Lahar Volcánico
No. de muertes 100.000 50.000 100.000 6.800 20.000 2.000 18.000 20.000
Desastres estimados por año, alrededor del mundo: 600 – 1000 personas En US: 25 - 50 por año.
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ESTABILIDAD DE LADERAS Y TALUDES Pérdidas anuales por inestabilidad de laderas y taludes (UNESCO). Pais Japón Italia EEUU India China España Canadá Hong Kong Nueva Zelanda Noruega
Millones US $ 4.700 2.600 1.800 1.350 500 220 50 25 12 6
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ESTABILIDAD DE LADERAS Y TALUDES Los diez eventos más caros (EM-DAT) para el periodo 1900 a 2012 movimientos en masa (con agua). País
Fecha
Daño en millones de US$
Perú, deslizamiento
Enero de 1983
989
China, deslizamiento
1 de mayo de 1998
890
China, deslizamiento
7 de agosto de 2010
759
Italia, deslizamiento
14 de diciembre de 1982
700
Suiza, avalancha
21 de febrero de 1999
685
Italia, deslizamiento
28 de julio de 1987
625
Ecuador, deslizamiento
28 de marzo de 1993
500
Guatemala, deslizamiento
4 de septiembre de 2010
500
Unión Soviética, deslizamiento
10 de marzo de 1989
423
Bolivia, deslizamiento
8 de diciembre de 1992
400
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FACTORES DE INESTABILIDAD
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FACTORES DE INESTABILIDAD Incremento en los esfuerzos de corte. Disminución en la resistencia del material.
A) Factores condicionantes (predisponen a una inestabilidad). B) Factores desencadenantes (desencadenan el movimiento).
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FACTORES DE INESTABILIDAD A) Factores condicionantes (predisponen a una inestabilidad). Litológicos, tipo de materiales. Estructurales, discontinuidades en los materiales. Hidrológicos, presencia de agua y flujos subterráneos. Geométricos, gradiente hipsométrico, orientación de discontinuidades.
B) Factores desencadenantes (desencadenan el movimiento). Geodinámica externa, variación en presión de poro, flujos superficiales, meteorización, etc. Geodinámica interna, alteración del estado de inercia (sismicidad). Antrópicos, excavaciones en el pié, sobrepeso en cabeza, niveles freáticos, etc.
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FACTORES DE INESTABILIDAD A) Factores condicionantes (predisponen a una inestabilidad). Litológicos, tipo de materiales.
Roca
Suelo
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FACTORES DE INESTABILIDAD A) Factores condicionantes (predisponen a una inestabilidad). Estructurales, discontinuidades en los materiales.
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BLANDO DURO
(POR EL PIE) (ENCIMA DELPIE)
a
a BLANDO
r2 r1
DURO
BLANDO
b) MATERIALES ESTRATIFICADOS INCLINADOS
a) MATERIAL HOMOGENEO
c) ESTRATO DURO HORIZONTAL DEBAJO DEL MATERIAL BLANDO
CORTE DURO r
SUELO BLANDO
BLANDO
SUELO DURO RELLENO
d) ESTRATO BLANDO DEBAJO DE UN ESTRATO DURO
e) RELLENO SOBRE SUELO BLANDO
CONTRAPESO
DURO
r
r
F) RELLENO SOBRE SUELO DURO
RELLENO ZONA BLANDA ZONA DURA
g) RELLENO EN TERRAPLEN SOBRE SUELO MUY BLANDO
H) RELLENO EN TALUD SOBRE MATERIAL DURO
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FACTORES DE INESTABILIDAD A) Factores condicionantes (predisponen a una inestabilidad). Hidrológicos, presencia de agua y flujos subterráneos.
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FACTORES DE INESTABILIDAD B) Factores desencadenantes (desencadenan el movimiento). Geodinámica externa,
• • • •
Aumento peso del terreno Aumento de la meteorización Relleno de fisuras y grietas Cambios en composición mineral
Movimiento del Agua subterránea Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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FACTORES DE INESTABILIDAD B) Factores desencadenantes (desencadenan el movimiento). Geodinámica interna, alteración del estado de inercia (sismicidad).
Terremoto de Costa Rica 2009 Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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FACTORES DE INESTABILIDAD B) Factores desencadenantes (desencadenan el movimiento). Antrópicos, excavaciones en el pié, sobrepeso en cabeza, niveles freáticos, etc.
Descalce
Taludes demasiado escarpados
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FACTORES DE INESTABILIDAD B) Factores desencadenantes (desencadenan el movimiento). Antrópicos, excavaciones en el pié, sobrepeso en cabeza, niveles freáticos, etc.
Malas prácticas de perforación y voladura en presencia de discontinuidades
Sobrepeso en cabecera
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FACTORES DE INESTABILIDAD B) Factores desencadenantes (desencadenan el movimiento). Antrópicos, excavaciones en el pie, sobrepeso en cabeza, niveles freáticos, etc.
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RECONOCIMIENTO DE INESTABILIDADES
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION La rotura de un talud suele ser un evento progresivo y puede deducirse con las siguientes evidencias: Roturas de pendiente con acumulación de material al pie del talud. Bloques de roca caídos al pie de taludes y escarpes. Presencia de grietas de tracción. Reptaciones de material blando. Arboles, arbustos o postes inclinados a favor de la pendiente. Desalineaciones de estructuras. Cicatrices que evidencien planos de rotura. La identificación de deslizamientos no siempre es algo evidente.
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Roturas de pendiente con acumulación de material al pie del talud.
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Bloques de roca caídos al pie de taludes y escarpes.
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Grietas de tracción.
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Grietas de tracción.
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Grietas de tracción.
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Reptaciones de material blando.
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Reptaciones de material blando.
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Arboles, arbustos o postes inclinados a favor de la pendiente.
Verticales
Inclinados
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Arboles, arbustos o postes inclinados a favor de la pendiente.
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Arboles, arbustos o postes inclinados a favor de la pendiente.
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Desalineaciones de estructuras.
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Cicatrices y cambios de coloración.
Anaglifo del USGS Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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34 67
EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION
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EVIDENCIAS DE DESESTABILIZACION Building Foundations Shear and crack
Gravestones and Fence posts lean
Trees grow with Curved trunks Road cracks Power poles lean
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35 69
INESTABILIDADES REPENTINAS
Guatemala, 2007 Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
70
INESTABILIDADES REPENTINAS
Milwaukee, Wisconsin, 2010
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36 71
Embalse de Lanuza, España, 2005
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72
Embalse de Lanuza, España, 2005
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37 73
Parking El Portalet, Fromgial, España, 2005
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74
Parking El Portalet, Fromgial, España, 2005
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38 75
Parking El Portalet, Fromgial, España, 2005
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Parking El Portalet, Fromgial, España, 2005
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39 77
INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo. 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas. 3. Propiedades de las rocas y de los suelos. 4. Tipos de deslizamientos. 5. Criterios de rotura. 6. Proyección estereográfica. 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña). 8. Falla no estructuralmente controlada (ciruclar, mixta, pandeo). 9. Métodos numéricos. 10.Taller. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo. 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas. 3. Propiedades de las rocas y de los suelos. 4. Tipos de deslizamientos. 5. Criterios de rotura. 6. Proyección estereográfica. 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña). 8. Falla no estructuralmente controlada (ciruclar, mixta, pandeo). 9. Métodos numéricos. 10. Taller.
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40 79
INDICE Definición y tipos de rocas. Igneas, Sedimentarias, Metamórficas. Propiedades de las rocas. Composición, Ø, porosidad, permeabilidad. Clasificación de macizos rocosos Terzagui, Laufer, Protodyakonov, Louis. Procesos de degradación de las rocas. Meteorización, degradación de taludes. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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DEFINICION Y TIPO DE ROCAS
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41 81
ROCA (Geol.) Compuesto natural de uno o varios minerales como resultado de diferentes procesos geológicos. (Ing.) Agregados naturales duros y compactos de uno o varios minerales con fuertes uniones cohesivas permanentes que se consideran, habitualmente, como un sistema continuo. Se distinguen de los suelos en que éstos se pueden desagregar sin el uso de una importante cantidad de energía.
(Geol.) Rocas sólidas: granito, basalto. Rocas líquidas: petróleo, agua. Minerales sólidos: cuarzo, biotita. Minerales líquidos: mercurio y agua. Rocas (geol.) o suelos (ing.): arenas no cementados.
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Roca: Resultado de diferentes procesos geológicos . Las rocas están en continuo cambio, el ciclo de las rocas. Algunos de estos cambios representan parte de los F. Condicionantes y Desencadenantes de inestabilidad de laderas geodinámica externa. Hay tres tipos fundamentales: ígneas. sedimentarias. metamórficas. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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42
EL CICLO DE LAS ROCAS
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EL CICLO DE LAS ROCAS
84
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43 85 ROCAS INTRUSIVAS O PLUTONICAS
GRANITO
ROCAS IGNEAS O MAGMATICAS ROCAS EXTRUSIVAS O VOLCANICAS ROCAS DETRITICAS
OBSIDIANA CONGLOMERADOS
ROCAS ORGANICAS
CARBON
ROCAS BIOGENICAS
CALIZA
ROCAS QUIMICAS
CALIZA
ROCAS SEDIMENTARIAS
TIPOS DE ROCAS
METAMORFISMO TERMICO O DE CONTACTO (por temperatura)
ROCAS METAMORFICAS
METAMORFISMO ESTRUCTURAL O DINAMICO (por presión) METAMORFISMO regional (por Tª y presión)
MARMOL
MILONITA
PIZARRA
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ROCAS IGNEAS O MAGMATICAS
ROCAS INTRUSIVAS O PLUTONICAS ROCAS EXTRUSIVAS O VOLCANICAS
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44 87
ROCAS IGNEAS O MAGMATICAS
ROCAS INTRUSIVAS O PLUTONICAS ROCAS EXTRUSIVAS O VOLCANICAS
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88
ROCAS DETRITICAS ROCAS ORGANICAS ROCAS SEDIMENTARIAS ROCAS BIOGENICAS ROCAS QUIMICAS
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45 89
ROCAS DETRITICAS ROCAS ORGANICAS ROCAS SEDIMENTARIAS ROCAS BIOGENICAS ROCAS QUIMICAS
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90
ROCAS DETRITICAS ROCAS ORGANICAS ROCAS SEDIMENTARIAS ROCAS BIOGENICAS ROCAS QUIMICAS
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46 91
ROCAS DETRITICAS ROCAS ORGANICAS ROCAS SEDIMENTARIAS ROCAS BIOGENICAS ROCAS QUIMICAS
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METAMORFISMO TERMICO O DE CONTACTO (por temperatura)
ROCAS METAMORFICAS
METAMORFISMO ESTRUCTURAL O DINAMICO (por presión) METAMORFISMO regional (por Tª y presión)
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47 93
METAMORFISMO TERMICO O DE CONTACTO (por temperatura)
ROCAS METAMORFICAS
METAMORFISMO ESTRUCTURAL O DINAMICO (por presión) METAMORFISMO regional (por Tª y presión)
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94
METAMORFISMO TERMICO O DE CONTACTO (por temperatura)
ROCAS METAMORFICAS
METAMORFISMO ESTRUCTURAL O DINAMICO (por presión) METAMORFISMO regional (por Tª y presión)
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48 95
DEFINICION Y CLASIFICACION DE ROCAS IGNEAS
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CLASIFICACION DE ROCAS IGNEAS Colada de lava
Coladas piroclásticas
Por el lugar de cristalización Rocas volcánicas o extrusivas
Extrusivas o volcánicas Cuerpo Plutónico (magma)
Rocas filonanas
Filonianas Rocas plutónicas o intrusivas
Intrusivas o plutónicas Cuerpo Plutónico (rocas consolidadas)
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49 97
CLASIFICACION DE ROCAS IGNEAS Por su emplazamiento Cono de piroclastos
Diques concéntricos
Estratovolcán Mesa Caldera
Colada
Dique
Lopolito Lacolito
Pitén
Sill
Plutón Cámara magmática
Enjambre de diques Plutón
Sill
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98
CLASIFICACION DE ROCAS IGNEAS Por su mineralización SERIE DE RISTALIZACION DE BOWEN
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50 99
CLASIFICACION DE ROCAS IGNEAS Diagramas QAPF cuarzo
Q
Q
quartzolite
90
90 granodiorite
quartz - rich granitoids
60 alkali feldspar granite granite
quartz alkali deldspar syenite
alkali feldspar syenite
feldesp. alcalino
A
syeno granite
10
monzo granite
35
65
quartz syenite
quartz monzonite
foid - bearing syenite
foid - bearing monzonite
10 foid - bearing alkali feldspar syenite
90
tonalite quartz monzodiorite Alkali feldspar rhyolite quartz monzogabbro Rhyolite quartz diorite quartz gabbro quartz anorthosite Quartz alkali feldspar trachyte 65 10 35 20 Quartz Quartz monzodiorite trachyte latite 5 monzogabbro Alkali feldspar trachyte Trachyte Latite
P
50 foidolite monzosyenite foidolite monzodiorite foidolite monzogabbro
A
diorite plagioclasa gabbro 90 10 anorthosite foid - bearing alkali feldspar trachyte foid - bearing diorite foid - bearing gabbro foid - bearing anorthosite
foid syenite
foid - bearing monzodiorite foid - bearing monzogabbro
60
Foid - bearing trachyte
60
Dacite
90
20 5
Basalt andesite
P
Foid - bearing latite
50
10 Tephritic phonolitic
90
10
Phonolitic basanite Phonolitic tephrite
Phonolite 60
Basanite tephrite
foidolite foid diorite foid gabbro
Phonolitic foidite
F
90
Foidite
Tephritic foidite
F
feldespatoides
Plutónicas
Volcánicas
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100
DEFINICION Y CLASIFICACION DE ROCAS SEDIMENTARIAS
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51 101
CLASIFICACION ROCAS SEDIMENTARIAS Tipos de roca
Criterio Ruditas
Rocas a partir de conjuntos detríticos
Arenitas
Según granulometría
Pelitas Rocas férricas Rocas carbonatadas
Rocas formadas por soluciones iónicas
Rocas silíceas
Según la solución por la que se formaron.
Evaporitas Carbón
Rocas biogenas organicas
Originadas organicamente
Petróleo
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102
CLASIFICACION DE ROCAS SEDIMENTARIAS 90
GRAVIA 10%
80 70 60
CONGLOMERADO (Brecha) ARENOSO
50
CONGLOMERADO (Brecha) CONGLOMERADO
50% (Brecha) ARCILLOSO
40 ARENISCA CONGLOMERATICA
30
70% LUTITA
CONGLOMERATICA
20 10
90%
ARENA
FINOS 90% ARENISCA 50%
LUTITA 10%
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52 103
CLASIFICACION ROCAS SEDIMENTARIAS
Arenisca Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
104
DEFINICION, TIPOS DE METAMORFISMO Y CLASIFICACIÓN DE ROCAS METAMORFICAS
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53 105
TIPOS DE METAMORFISMO El metamorfismo dinámico se produce como consecuencia de un incremento de la presión, sin que la temperatura alcance valores importantes.
El metamorfismo de contacto se produce como consecuencia de un incremento de la temperatura sin que la presión alcance valores importantes.
El metamorfismo regional se produce como consecuencia de un incremento simultáneo de presión y temperatura. Metamorfismo de contacto
Metamorfismo regional
Metamorfismo dinámico
Metamorfismo regional
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106
CLASIFICACION DE LAS ROCAS METAMORFICAS Por su foliación:
Pizarrosidad ~ pizarra (grano fino)
Foliada
Esquistosidad ~esquisto (grano grueso más del 20% de micas) Bandeado gneísico ~ gneis (grano grueso no micáceo)
Roca Metamórfica No foliada
Mármol (composición: calcita)
Cuarcita (composición: cuarzo) Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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54 107
CLASIFICACION DE LAS ROCAS METAMORFICAS Por su foliación:
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108
CLASIFICACION DE LAS ROCAS METAMORFICAS Roca metamórfica
Textura
Roca inicial
Características
Pizarras
Foliada
Lutitas
Grano muy fino
Filitas
Foliada
Lutitas
Grano fino a medio
Esquistos
Foliada
Lutitas, rocas ígneas
Diverso
Mármoles
No foliada
Calizas, dolomías
Granos de calcita
Cuarcitas
No foliada
Arenisca rica en cuarzo
Granos de cuarzo
Corneanas
No foliada
Cualquiera de grano fino
Grano fino
Migmatitas
Débilmente foliada
Mezcla graníticas y máficas
Capas con volutas
Milonitas
Débilmente foliada
Cualquiera
Grano fino. Roca dura.
Metaconglomerados
Débilmente foliada
Conglomerado rico en cuarzo
Cantos rodados estirados
Anfibolitas
Débilmente foliada
Rocas volcánicas máficas
Grano grueso
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55 109
CLASIFICACION DE LAS ROCAS METAMORFICAS
T1
Presión
Disolución
Cristalización T2
Disolución
Cristalización T3
Metaconglomerado Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
110
CLASIFICACION DE LAS ROCAS METAMORFICAS
Pizarra
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56 111
CLASIFICACION DE LAS ROCAS METAMORFICAS
Filita
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112
CLASIFICACION DE LAS ROCAS METAMORFICAS
Esquisto Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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57 113
CLASIFICACION DE LAS ROCAS METAMORFICAS
Arenisca cemento de hematites
Cuarcita Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
114
CLASIFICACION DE LAS ROCAS METAMORFICAS
Basalto
Amfibolita Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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58 115
PROCESOS DE DEGRADACION DE LAS ROCAS: METEORIZACION
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116
METEORIZACION Alteración mecánica o química debido a agentes externos. El grado de meteorización dependerá de las condiciones ambientales y las características de la roca madre.
Tipos de meteorización. Meteorización física: aumento discontinuidades. Meteorización química: decoloración de la roca hasta su descomposición. Meteorización biológica: formada por seres vivos.
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59 117
METEORIZACION FISICA Produce el aumento de las discontinuidades y la fracturación mecánica de las rocas. Crioclastia o gelifracción. Haloclastia. Termoclastia. Descompresión.
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118
METEORIZACION FISICA Crioclastia o gelifracción Agua
Hielo
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60 119
METEORIZACION FISICA Haloclastia
Viento
Taffoni Agua salada
Cristales de sal
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120
METEORIZACION FISICA Haloclastia
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61 121
METEORIZACION FISICA Termoclastia
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122
METEORIZACION QUIMICA Transforman la composición o estructura de la roca a nivel mineral . Disoluciones. Hidratación/Deshidratación. Oxidación-Reducción. Hidrólisis.
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62 123
METEORIZACION QUIMICA Disolución, f(T) H2O + CO2 → H2CO3 CaCO3 → Ca2+ + CO32– CO32– + H2CO3 → 2 HCO3– CaCO3 + H2CO3 → Ca2+ + 2 HCO3–
Yeso (CaSO4), halita (NaCl), silvina (KCl), carnalita (KMgCl3·6H2O) …
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124
METEORIZACION QUIMICA Disolución, f(T)
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63 125
METEORIZACION QUIMICA Hidratación: algunas arcillas absorben agua y se hinchan aumentando a tensión ejercida sobre la roca.
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126
METEORIZACION QUIMICA Hidratación: algunas arcillas absorben agua y se hinchan aumentando a tensión ejercida sobre la roca.
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64 127
METEORIZACION QUIMICA Oxidación – reducción (redox)
2e + Cu2+ → Cu0 Semireacción de Reducción Fe0 → Fe2+ + 2e Semirreacción de Oxidación
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128
METEORIZACION QUIMICA Hidrólisis 2KAlSi3O8 + 2H2CO3 + 9H2O ⇌ Al2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4 + 2K+ + 2HCO3-
Ortoclasa (feldespato aluminosilicato) + ácido carbónico + agua ⇌ Caolinita + ácido silícico (d) + potasio y bicarbonato (d)
Caolinita + agua ⇌ Gibsita + ácido silícico (lateritas y bauxitas)
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65 129
METEORIZACION BIOLOGICA
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130
METEORIZACION BIOLOGICA
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66 131
CLIMA Y METEORIZACION Climas fríos o de alta montaña con precipitaciones medias: Física. Climas tropicales con abundantes precipitaciones: Química.
-12º
100
50
Precipitación media anual (cm)
0
Baja
-6º 0º 6º
Moderada CLIMA ESPAÑA
12º 18º 24º
Intensa
200 Temperatura medida anual (ºC)
Temperatura medida anual (ºC)
150
-12º
30º
-6º 0º 6º
150
100 a ns te In a d a r de Mo
Baja
12º 18º 24º
Muy baja
30º Alteración química
50
Precipitación media anual (cm)
0
200 Temperatura medida anual (ºC)
Precipitación media anual (cm)
200
150
100
50
0
Física moderada
-12º -6º 0º 6º 12º 18º 24º
sa a en rad in t e ica mod aja s í b F a sic sica Fí Fí
Química moderada con influencia física
Química Química moderada intensa
Alteración muy baja
30º Alteración física
Alteración físico-química
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132
DETERIORO DE TALUDES
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67 133
Etapas del deterioro (Nicholson y Hencher, 1997) Se utiliza para valorar la degradación potencial en taludes. Etapas: Valoración del macizo rocoso. Interpretación de la naturaleza de la degradación. 1.- Probabilidad de degradación del talud, parámetros: Resistencia de la roca. Espaciado de las discontinuidades. Abertura de las discontinuidades. Grado meteorización del material. 2.- Naturaleza del deterioro: en función de las litofacies descritas.
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134
Etapas del deterioro (Nicholson y Hencher, 1997) Grupos litoestructurales: Roca fuerte masiva: resistentes a procesos de deterioro de masas de roca. Desintegración localizada. Granito, gabro, dolerita, basalto, riolita, metacuarcita, gneiss, caliza y mármol
Fuerte Masiva
Roca fuerte discontinua: Susceptible a varios modos de deterioro en función del sistema de fracturas. Caída de rocas y desmoronamiento de taludes. Arenisca con uniones de sílica y conglomerados, ortocuarcita, piroclásticos, calizas, dolomitas, mármoles y rocas ígneas fisuradas.
Fuerte Discontinua
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68 135
Etapas del deterioro (Nicholson y Hencher, 1997) Roca compuesta: Susceptible a meteorización diferencia con colapso de los salientes. Caída de bloques. Intercalaciones de estratos duros y blandos, rocas bandeadas o con intrusiones ígneas Compuesta
Roca debilitada tectónicamente: zonas trituradas o cortadas que contribuyen a su colapso y desmoronamiento. Debilitado Tectonicamente
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136
Etapas del deterioro (Nicholson y Hencher, 1997) Roca débil granular: susceptible a meteorización del material y debilitamiento que conduce a la formación de láminas, caída y lavado de granos y, menos frecuentemente, caída de bloques y colapso. Debil Granular Arenisca friable, arcillolita, arenisca o conglomerado con uniones de y eso, arcilla o calcio, margas y calizas débiles
Roca karstica: Susceptible a la formación de cavidades por disolución y colapso. Diversos tipos de formas karsticas. Calizas generalmente, duras
Karstica Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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69 137
Etapas del deterioro (Nicholson y Hencher, 1997) Roca anisotrópica: formación de láminas con tendencia al colapsos y lavado superficial Lutitas, pizarras, filitas y esquistos con estructura laminar.
Anisotropica
Roca con apariencia de suelo: formación de cárcavas y surcos. Lavado superficial, caída de granos y colapsos Margas, areniscas muy débiles, roca altamente meteorizada y suelo residual.
Roca con apariencia de suelo Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
138
INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas 3. Propiedades de las rocas y de los suelos 4. Tipos de deslizamientos 5. Criterios de rotura 6. Proyección estereográfica 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña) 8. Falla no estructuralmente controlada (circular, mixta, pandeo) 9. Métodos numéricos 10.Taller Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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70 139
INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas 3. Propiedades de las rocas y de los suelos 4. Tipos de deslizamientos 5. Criterios de rotura 6. Proyección estereográfica 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña) 8. Falla no estructuralmente controlada (circular, mixta, pandeo) 9. Métodos numéricos 10.Taller Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
140
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
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71 141
INDICE Definición y tipos de rocas Propiedades de las rocas • Propiedades de identificación y clasificación • Propiedades mecánicas
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142
Propiedades de identificación y clasificación
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
Composición Fábrica y textura Tamaño de grano Color
Descripción visual Microscopía (óptica y electrónica) Difracción de rayos X
Porosidad Peso específico Humedad
Técnicas de laboratorio
Permeabilidad
Ensayo de permeabilidad
Durabilidad Alterabilidad
Ensayos de alterabilidad
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72 143
Propiedades mecánicas
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
Resistencia a compresión simple
E. compresión uniaxial E. de carga puntual. Martillo de Schmidt
Resistencia a tracción
E. de tracción directa E. de tracción indirecta
Velocidad de ondas sónicas
Técnicas de laboratorio Geofísica
Resistencia (cohesión y ángulo de rozamiento interno, c, phi)
E. de compresión triaxial
Deformabilidad (módulos de deformación estáticos o dinámicos)
E. compresión uniaxial E. de velocidad sónica
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144
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Composición mineralógica De ello depende la textura Se determina mediante un estudio petrofísico
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73 145
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Composición mineralógica Presencia de carbonatos con ácido (HCl, vinagre blanco)
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146
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Composición mineralógica Dureza Mineral 1 Talco
Método Se raya fácilmente con la uña
Composición química Mg3Si4O10(OH)2 CaSO4·2H2O
Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)
2
Yeso
3
Calcita
4
Fluorita
Se puede rayar con la uña con más dificultad Se raya con una moneda de cobre Se raya con un cuchillo de acero
5
Apatito
Se raya difícilmente con un cuchillo
6 7
Ortoclasa Se raya con una lija para el acero Cuarzo Raya el vidrio Rayado por herramientas de carburo de Topacio wolframio
8
Rayado por herramientas de carburo de Silicio
9
Corindón
10
Diamante Rayado solo por otro diamante.
CaCO3 CaF2
KAlSi3O8 SiO2 Al2SiO4(OH-,F-)2 Al2O3 C
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74 147
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Textura: Conjunto de relaciones espaciales intergranulares y de características morfológicas (tamaño y forma) de los componentes (esencialmente granos y/o agregados minerales) de la roca.
Textura granular
Textura vítrea
Textura blástica
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148
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Estructura: Distribución y orden espacial de los cristales o granos dentro de la roca a escala macroscópica y microscópica.
Brechoide
Homogénea
Bandeada
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75 149
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Fábrica: Orientación espacial preferencial de los componentes no equidimensionales y de los elementos cristalográficos (ejes, planos) de los minerales dentro de una roca.
Homogénea
Linear
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150
Propiedades de identificación y clasificación
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
Composición Fábrica y textura Tamaño de grano Color
Descripción visual Microscopía (óptica y electrónica) Difracción de rayos X
Porosidad Peso específico Humedad
Técnicas de laboratorio
Permeabilidad
Ensayo de permeabilidad
Durabilidad Alterabilidad
Ensayos de alterabilidad
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76 151
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Porosidad: Relación entre el volumen de poros y el volumen total Inversamente proporcional a densidad y resistencia Porosidad total (huecos) Porosidad abierta Porosidad cerrada Porosidad eficaz (drena por gravedad)
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152
PROPIEDADES DE LAS ROCAS no
Porosidad total n = (Vv / Vt) · 100 Porosidad abierta no = (Va / Vt) · 100
ne
n
Porosidad cerrada Porosidad eficaz ne = (Ve / Vt) · 100 Aire/agua (poro)
Roca
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77 153
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Peso específico (N/m3):
γ = P = mg = ρ g v v Relación entre el peso de la roca y su volumen Interrelación con la estructura y textura de la roca Condicionada por la porosidad La densidad es la relación entre la masa de la roca y su volumen
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154
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
Contenido de humedad relativo (%)
m1 - m2 m1 x 100 • m1: masa de la roca recién extraída • m2: masa de la roca seca
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78 155
Propiedades de identificación y clasificación
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
Composición Fábrica y textura Tamaño de grano Color
Descripción visual Microscopía (óptica y electrónica) Difracción de rayos X
Porosidad Peso específico Humedad
Técnicas de laboratorio
Permeabilidad
Ensayo de permeabilidad
Durabilidad Alterabilidad
Ensayos de alterabilidad
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156
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
Permeabilidad intrínseca (ley de Darcy; m2)
K I = C . d2 • C: constante adimensional relacionada con la densidad del fluído • d: diámetro promedio de los poros del material
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79 157
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Permeabilidad
Permeabilidad relativa Arena o grava no consolidada
Permeable Grava continua (o redondeada)
Semi-Permeable
Arena continua o mixta
Arcilla no consolidada y materia orgánica Roca consolidada
10−3
κ (cm²)
Arena fina, Loess
Turba
Rocas muy fracturadas 10−4
10−5
10−6
Estrato arcilloso
Roca petrolífera 10−7
Muy poco permeable
10−8
10−9
Piedra arenisca 10−10 10−11
Arcilla expansiva Roca sedimentaria Granito , dolomita 10−12 10−13 10−14 10−15
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158
Propiedades de identificación y clasificación
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
Composición Fábrica y textura Tamaño de grano Color
Descripción visual Microscopía (óptica y electrónica) Difracción de rayos X
Porosidad Peso específico Humedad
Técnicas de laboratorio
Permeabilidad
Ensayo de permeabilidad
Durabilidad Alterabilidad
Ensayos de alterabilidad
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80 159
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Durabilidad • Es la resistencia que la roca presenta ante los procesos de alteración y desintegración. • La roca se altera por procesos sufridos al cambiar sus condiciones (procesos de hidratación, oxidación, reducción). • Es muy importante en rocas ornamentales y áridas.
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160
Propiedades mecánicas
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
Resistencia a compresión simple
E. compresión uniaxial E. de carga puntual. Martillo de Schmidt
Resistencia a tracción
E. de tracción directa E. de tracción indirecta
Velocidad de ondas sónicas
Técnicas de laboratorio Geofísica
Resistencia (cohesión y ángulo de rozamiento interno, c, phi)
E. de compresión triaxial
Deformabilidad (módulos de deformación estáticos o dinámicos)
E. compresión uniaxial E. de velocidad sónica
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81 161
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Resistencia Capacidad de soportar una carga exterior sin romperse Depende de su mineralogía. Relación resistencia a compresión y a tracción. Dependencia de la existencia de planos de debilidad.
Fracturación extensional
Fracturación por cizalla
Fracturación extensional
Fracturación por cizalla
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162
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Resistencia a la comprensión simple (Mpa)
ISRM (1981)
Geological Spciety of London (1970)
Muy blanda
Blanda >125
200 Moderadamente dura
Muy baja
Moderadamente dura
100 – 200
> 250
Ejemplos
Suelos
5 – 12,5
50 – 100
Bieniawski (1973)
Sal, lutita, limolita, marga, toba, carbón
Esquisto, pizarra Rocas metamórficas esquistosas, mármol, Granito, gneiss, arenisca, caliza porosa Rocas ígneas y metamórficas duras, arenisca Muy cementada, caliza, dolomía
Cuarcita, gabro, basalto
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82 163
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
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164
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
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83 165
Propiedades mecánicas
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
Resistencia a compresión simple
E. compresión uniaxial E. de carga puntual. Martillo de Schmidt
Resistencia a tracción
E. de tracción directa E. de tracción indirecta
Velocidad de ondas sónicas
Técnicas de laboratorio Geofísica
Resistencia (cohesión y ángulo de rozamiento interno, c, phi)
E. de compresión triaxial
Deformabilidad (módulos de deformación estáticos o dinámicos)
E. compresión uniaxial E. de velocidad sónica
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166
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Resistencia a la tracción Esfuerzo tensional por unidad de área a la que falla. Resistencia a la tensión (Mpa) de algunas rocas Basalto 8,6 Conglomerado 29,7 Calizas 4,2 a 5,8 Arenisca 1,1 a 1,7 Arenisca calcárea 4,3 Esquistos 3,1
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84 167
Propiedades mecánicas
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
Resistencia a compresión simple
E. compresión uniaxial E. de carga puntual. Martillo de Schmidt
Resistencia a tracción
E. de tracción directa E. de tracción indirecta
Velocidad de ondas sónicas
Técnicas de laboratorio Geofísica
Resistencia (cohesión y ángulo de rozamiento interno, c, phi)
E. de compresión triaxial
Deformabilidad (módulos de deformación estáticos o dinámicos)
E. compresión uniaxial E. de velocidad sónica
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168
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Velocidad de propagación de las ondas sísmicas • Depende de la densidad y las propiedades elásticas del material. • Suele utilizar la velocidad de las ondas longitudinales o de presión. • Muy afectado por el grado de alteración de la roca. (Un granito muy alterado V = 700 m/s).
Roca sana
Arenisca Basalto Caliza Conglomerado Cuarcita Diabasa Dolerita Dolomía Gabro Gneiss Granito Sano Lutita Marga Mármol Pizarra Sal Yeso
Velocidad de propagación De las ondas VP (m/s)
1,400 – 4,200 4,500 – 6,500 2,500 – 6,000 2,500 – 6,500 5,000 – 6,500 5,500 – 7,000 4,500 – 6,500 5,000 – 6,000 4,500 – 6,500 3,100 – 5,500 4,500 – 6,000 1,400 – 3,000 1,800 – 3,200 3,500 – 6,000 3,500 – 5,000 4,500 – 6,000 3,000 – 4,000
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85 169
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Velocidad de propagación de las ondas sísmicas
Método SASW. Análisis espectral de ondas de superficie. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
170
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Cohesión y ángulo de rozamiento interno Cohesión: fuerzas internas que mantienen unidos los componentes.
Kr C = 4πτ
cosα
d • C: cohesión, expresada en fuerza por unidad de superficie • K: constante determinada experimentalmente • r: radio de las partículas • τ: tensión superficial del líquido • α: ángulo de contacto entre el líquido y la partícula • d: distancia entre las partículas Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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86 171
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Cohesión y ángulo de rozamiento interno Angulo de rozamiento interno: oposición al movimiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto.
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172
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Cohesión y ángulo de rozamiento interno
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87 173
Propiedades mecánicas
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
Resistencia a compresión simple
E. compresión uniaxial E. de carga puntual Martillo de Schmidt
Resistencia a tracción
E. de tracción directa E. de tracción indirecta
Velocidad de ondas sónicas
Técnicas de laboratorio Geofísica
Resistencia (cohesión y ángulo de rozamiento interno, c, phi)
E. de compresión triaxial
Deformabilidad (módulos de deformación estáticos o dinámicos)
E. compresión uniaxial E. de velocidad sónica
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174
PROPIEDADES DE LAS ROCAS Deformabilidad Compresión (positiva) o extensión (negativa) de un material como resultado de la aplicación de fuerzas externas, dividida para su dimensión original. F Esfuerzo: σ = l l S Deformación lineal:
σl E = Módulo de elasticidad:
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88 175
PROPIEDADES DE LAS ROCAS
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176
INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas 3. Propiedades de las rocas y de los suelos 4. Tipos de deslizamientos 5. Criterios de rotura 6. Proyección estereográfica 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña) 8. Falla no estructuralmente controlada (circular, mixta, pandeo) 9. Métodos numéricos 10.Taller Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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89 177
INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas 3. Propiedades de las rocas y de los suelos 4. Tipos de deslizamientos 5. Criterios de rotura 6. Proyección estereográfica 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña) 8. Falla no estructuralmente controlada (circular, mixta, pandeo) 9. Métodos numéricos 10.Taller Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
178
INDICE Definición y tipos de rocas Propiedades de las rocas Clasificación de macizos rocosos • Clasificación de Terzagui (1946) • Clasificación de Lauffer (1958) • Clasificación de Protodyakonov (1962) • Clasificación de Louis (1974) • Clasificación de Deere (RQD, 1964) • Clasificación RSR (1972) • Clasificación RMR de Bieniawski (1973) • Clasificación Q de Barton (1974) Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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90 179
CLASIFICACION DE LOS MACIZOS ROCOSOS
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180
Conocer el comportamiento del macizo rocoso Se pensaron originalmente para túneles (tradicional) Se basan en propiedades mecánicas Necesita datos de campo representativos Sirven para escoger el método de extracción Sirven para escoger el método de sostenimiento
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91 181
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182
MACIZO ROCOSO
MACIZO CON VARIAS ESTRUCTURAS ROCA CON UNA UNICA ESTRUCTURA
ROCA “INTACTA”
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92 183
CLASIFICACIONES GEOMECANICAS Las clasificaciones geomecánicas más importantes son las siguientes: 1. Clasificación Terzaghi (en desuso desde la década de los años ochenta) 2. Clasificación de Lauffer (en desuso) 3. Clasificación de Protodyakonov (Europa del este) 4. Clasificación de Louis (poco utilizada) 5. Clasificación de Deere (RQD es parte de otras) 6. Clasificación RSR (rock structure rating) 7. Clasificación RMR de Bieniawski (rock mass ratio) 8. Clasificación “Q” de Barton (nuevo método noruego) Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
184
CLASIFICACION DE TERZAGHI Se basa en el tipo del terreno y su estado de fracturación Poco fiable para diámetros superiores a 9m Poco fiable para terrenos plásticos o expansivos Clasifica al terreno en función del estado de fracturación
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93 185
CLASIFICACION DE TERZAGHI Condiciones de la roca 1. Dura e intacta
RDQ 95 - 100
Notas
Carga de la roca (HP ) Cero
Según Terzaghi (1946)
2. Estratificada dura o esquistricosa
90 - 99
0 - 0.5 B
“
“
“
3. Masiva, no duramente diaclasada
85 - 95
0 - 0.25 B
“
“
“
4. Moderadamente en bloques y plegada
75 - 85
0.25 - B-0.20 (B + H2)
5. Muy en bloques y plegada
30 - 75
0.20 - 0.60 (B + H 2)
6.
Completamente triturada químicamente intacta
3 - 30
(0.60 - 1.10 ) (B + H2)
6a.
Arena y grava
0 - 30
(1.10 - 1.40) (B + H 2)
7. Roca fluyente, profundidad moderada
NA*
(1.10 - 2.10) (B + H2 )
8. Roca fluyente, gran profundidad
NA*
(2.10 - 4.50) (B + H 2)
“
“
“
9. Roca expansiva
NA*
Hasta 75m. independ. de (B + H 2)
“
“
“
Tipos 4, 5 y 6 reducidos un 50% de los valores Terzaghi
Según Terzaghi (1946)
* No aplicable
modificado por Deere y Rose en 1982
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186
CLASIFICACION DE LAUFFER Se basa en la longitud de vano libre y tiempo de estabilidad Precursora del “nuevo método austriaco” de túneles
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94 187
CLASIFICACION DE LAUFFER CLASE
TIPO DE ROCA
A
Roca sana
Muy bueno
B
Roca sana, compacta pero fracturada
Bueno
C
Roca bastante fracturada o algo alterada
Medio
D
Roca muy fracturada o bastante alterada o blanda
Mediocre
E
Roca triturada o muy alterada, conjunto rellenos de milonito. Roca muy blanda. Terrenos arcillosos con fuertes empujes.
Malo
F G
CALIDAD DEL TERRENO
Características análogas a los suelos
Muy difícil, requiere métodos especiales
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188
CLASIFICACION DE LAUFFER 1
59
10
59
1
min
min
10
hoc
1
h
10
10
3
10
20
100 20
1
10 8 6 4
10
C D E
2
F
0
1 0,8 0,6
10
B
G E
0,4
C
D
0,2
F
-1
0,1m
10
-4
10
-3
10
10
-2
10 -1
10 0
10 1
10 2
10 3
10 4
10 5
10 4 TIEMPO EN HORAS
TIEMPO DE ESTABILIDAD DE LA EXCAVACION
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95 189
CLASIFICACION DE PROTODYAKONOV Anchura del túnel y parámetro f (coeficiente de resistencia) • Rocas: f = RCS/10 • Suelos: f = tg φ + c/RCS φ ángulo de rozamiento interno c cohesión RCS resistencia a la compresión simple
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190
CLASIFICACION DE PROTODYAKONOV
CATEGORIA
Excepcional Alta resistencia Resistencia media
Resistencia baja
Resistencia muy baja
DESCRIPCION
Cuarcita, basalto y rocas de resistencia excepcional Granito, areniscas silíceas y calizas muy competentes Calizas, granito algo alterado y areniscas Areniscas medias y pizarras Lutitas, areniscas flojas y conglomerados friables Lutitas, esquistos y margas compactas
“f”
20 15-20 8-6 5 4 3
Calizas, lutitas blandas, margas, areniscas friables Gravas, bolos cementados Lutitas fisuradas y rotas, gravas compactas y arcillas preconsolidas
1.5
Arcillas y gravas arcillosas Suelos vegetales, turbas y arenas húmedas Arenas y gravas finas Limos y loess
1.0 0.6 0.5 0.3
2
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96 191
CLASIFICACION DE LOUIS RCS y tamaño de los bloques En la clasificación “A” es la roca de mejor calidad
A B C D E F G 0.1
1
10
100
RESISTENCIA A LA COMPRESION (Mpa) Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
192
CLASIFICACION DE DEERE (RQD) Se basa en el RQD (rock quality designation)
RQD
Clasificación
1.20 1 = 20º
2 = 20º - 50º
17 26 34 42 48
20 30 38 44 50
16 20 27 36 42
18 24 30 39 45
14 24 32 40 45
15 12 30 25 37 30 42 36
3 = 50º - 90º
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196
CLASIFICACION RSR Parámetro C: Efecto del agua Afluencia de agua prevista l/min/m
Nula..................................... Ligera (12,5 1/min/m).........
Suma A + B 46 - 80
20 - 45
Estado de las diaclasas*
1
2
3
1
2
3
18 17 12 8
15 12 9 6
10 7 6 5
20 19 18 14
18 15 12 10
14 10 8 6
1 = cerradas o cementadas 2 = ligeramente alteradas 3 = abiertas o muy alteradas
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99 197
CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Suma de parámetros puntuados: 1. RCS (Resistencia compresión simple) 2. RQD (Rock Quality Designation) 3. Separación entre las diaclasas 4. Estado de las discontinuidades 5. Agua freática 6. Corrección por orientación de discontinuidades
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198
CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Resistencia a la compresión simple Ensayo de resistencia aproximado
Se puede rayar con la uña Se rompe con golpes de martillo moderados
Calificación de la resistencia a compresión simple(1) Especialmente débil Muy baja
Valor estimado qu (MPa) 250
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100 199
CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Separación entre las diaclasas Mide la separación entre juntas de la familia principal de diaclasas de la roca (en metros). Da una idea del tamaño de los bloques que pueden originarse. Espaciamiento de las discontinuidades
Calificativo Especialmente pequeño Muy pequeño Pequeño Moderado Amplio Muy amplio Especialmente amplio
Espaciamiento (cm) 600
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200
CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Estado de las discontinuidades (el más influyente), con cinco parámetros a analizar: 1. Persistencia, longitud o continuidad de la discontinuidad 2. Apertura entre paredes de la discontinuidad (no hay relleno) 3. Si hay relleno, se mide resistencia y espesor del relleno 4. Estado de alteración de la zona de la diaclasa 5. La rugosidad de la pared de la discontinuidad
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101 201
CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI
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202
CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Persistencia de las discontinuidades Muy pequeña 20 m
Relleno de las discontinuidades Clase 1: seco y de baja permeabilidad Clase 2: húmedo sin presencia de agua libre Clase 3: muy húmedo con aporte de agua libre Clase 4: lavado con flujo continuo de agua Clase 5: socavado con importantes vías de agua
Apertura de las discontinuidades Calificativo General
De detalle
Apertura
Juntas cerradas
Muy cerradas Cerradas Parcialmente abiertas
< 0.1 mm 0,1 a 0,25 mm 0,25 a 0,50 mm
Macizo rocoso agrietado
Abiertas Bastante abiertas Apertura amplia
0,50 a 2,5 mm 2,5 a 10 mm > 1 cm
Juntas abiertas
Apertura muy amplia Apertura especialmente amplia Estructura hueca
Alteración • Inalterada • Ligeramente alterada • Moderadamente alterada • Muy alterada • Descompuesta
1 a 10 cm 10 a 100 cm >1m
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102 203
CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Rugosidad: aumenta la resistencia al corte del macizo. Descripción
Perfil
Rugosa Lisa Pulida Escalonada Rugosa Lisa Pulida Ondulada Rugosa Lisa Pulida Plana
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204
CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Agua freática Difícil de medir si únicamente se tienen datos de sondeos, puesto que se suele perforar con agua y lodos. Presencia de agua en las discontinuidades Clase 1: No hay posibilidad de flujos de agua Clase 2: No hay signos de agua Clase 3: Signos de haber flujos de agua (manchas de óxidos) Clase 4: Humectaciones Clase 5: Filtraciones Clase 6: Flujo continuo de agua Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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103 205
CLASIFICACION RMR DE BIENIAWSKI Orientación de las discontinuidades Plano de discontinuidad
δ = dirección
δ
del plano
β = buzamiento α = dirección
N
α
de buzamieno
β
Plano de discontinuidad
RUMBO PERPENDICULAR AL EJE Dirección contra Buzamiento
Dirección según Buzamiento Buzamiento 45º - 90º Muy Favorable
Buzamiento Buzamiento 45º - 90º 20 - 45º Favorable
Regular
RUMBO PARALELO AL EJE DEL TUNEL
Buzamiento 20 - 45º
Buzamiento 45º - 90º
Buzamiento 20 - 45º
Desfavorable
Muy Desfavorable
Regular
BUZAMIENTO 0 - 20º (Independiente del Rumbo)
Desfavorable
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206 Clasificación geomecánica RMR (Bieniawski. 1989) Parámetros de clasificación
2
4
Ensayo de carga puntual
> 10
Comprensión simple
4-2
2-1
Compresión simple (MPa) 25 - 5 5 - 1 < 1
> 250
250 - 100
100 - 50
50 - 25
Puntuación
15
12
7
4
RQD
90% 100%
75% - 90%
50% - 75%
25% - 50%
2
1
20
17
6
3
>2m
0.6 - 2 m
0.2 - 0.6 m
0.06 - 0.2 m
< 0.06 m
Puntuación
20
15
10
8
5
Longitud de la discontinuidad
20 m
Puntuación
6
4
2
1
0
Abertura
Nada
< 0.1 mm
1 - 5mm
> 5 mm
13
0.1 - 1.0 mm
Puntuación
6
5
3
1
Rugosidad
Muy rugosa
Rugosa
Ligeramente rugosa
Ondulada
0
< 25%
Puntuación
Valor de puntuación: media sugerida
0 Suave
Puntuación
6
5
3
1
0
Relleno
Ninguno
Relleno duro < 5 mm
Relleno duro < 5 mm
Relleno blando < 5 mm
Relleno blando < 5 mm
Puntuación
6
4
2
2
0
Alteración
Inalterada
Ligeramente alterada
Moderadamente alterada
Muy alterada
Descompuesta
Puntuación Caudal por 10 m de túnel
5
10 - 1
Separación entre diaclasas
3
Estado de las discontinuidades
Puntuaciones y clasificación RMR
1
Resistencia de la matriz rocoza (MPa)
Agua freática
Relación: Presión de agua/ Tensión principal mayor Estado general
Puntuación
6
5
1
0
Nulo
< 10 litros / min
10/25 litros/min
25/125 litros/min
> 125 litros/min
0
0 - 0.1
0.1 - 0.2
0.2 - 0.5
> 0.5
Seco
Ligeramente húmedo
Húmedo
Goteando
Agua fluyendo
10
7
4
15
3
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104 207 Corrección por la orientación de las discontinuidades
Dirección y buzamiento
Puntuaciones y clasificación RMR
Puntuación
Medias
Muy favorables
Favorables
Túneles
0
-2
-5
-10
-12
Cimentaciones
0
-2
-7
-15
-25
Taludes
0
-5
-25
-50
-60
Desfavorables Muy desafavorables
Clasificación Clase
I
II
III
IV
Calidad
Muy buena
Buena
Media
Mala
Puntuación
100 - 81
80 - 61
60 - 41
40 - 21
Clase
I
II
III
Tiempo de mantenimiento y longitud
10 años con 15 m de vano
6 meses con 8 m de vano
Cohesión
> 4 Kp/cm2
3-4 Kp/cm2
2-3 Kp/cm2
35º-45º
25º-35º
Ángulo de rozamiento
> 45º
1 semana con 5 m de vano
V Muy mala < 20
V
IV 10 horas con 2,5 m de vano
30 minutos con 1 m de vano
1-2 Kp/cm2
200) Pequeña cobertura (200 > c/ 1 >10) Cobertura media Gran cobertura (10 > c/ 1 >5) Terreno fluyente Con bajas presiones Con altas presiones Terreno expansivo Con presión de hinchamiento moderada Con presión de hinchamiento alta
10 5 2,5 7,5 5 2,5 5 2,5 1 0,5 - 2,0 5 - 10 10 - 20 5 - 10 10 - 15
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218
CLASIFICACION “Q” DE BARTON Una vez analizados todos los valores y resuelta la ecuación se obtiene un valor dentro de la siguiente clasificación: Valor Q
Tipo de roca
0,001 – 0,01
Excepcionalmente mala
0,01 – 0,1
Extremadamente mala
0,1 – 1
Muy mala
1–4
Mala
4 – 10
Media
10 – 40
Buena
40 – 100
Muy buena
100 – 400
Extremadamente buena
400 – 1000
Excepcionalmente buena
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110 219
CLASIFICACION “Q” DE BARTON Para correlacionar el valor del índice “Q” con la estabilidad y los requisitos de sostenimiento de túneles, Barton definió un parámetro adicional: Dimensión Equivalente de la excavación De= Ancho de la excavación, diámetro o altura (m)/ESR ESR
Tipo de excavación
2-5
A
Labores mineras de carácter temporal, etc.
B
Galerías mineras permanentes, túneles de centrales hidroeléctricas (excluyendo las galerías de alta presión), túneles piloto, galerías de avance en grandes excavaciones, cámaras de compensación hidroeléctrica.
1,6 - 2,0
Cavernas de almacenamiento, plantas de tratamiento de aguas, túneles de carreteras secundarias y de ferrocarril, túneles de acceso.
1,2 - 1,3
C D
0,9 - 1,1 Centrales nucleares subterráneas, estaciones de ferrocarril, instalaciones públicas y deportivas, fábricas, túneles para tuberías principales de gas.
E
0,5 - 0,8
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220
CLASIFICACION “Q” DE BARTON CLASE DE ROCA G
F
Excepcionalmente Extremadamente mala mala
E
D
Muy mala
Mala
100 Espaciado de los pernos en zonas gunitadas
De (m)
50 1,0 m
20
1,2 m
(9) 10
1,7 m 2,1 m 1,5 m
1,3 m
(8)
(7)
(6)
B
C
(5)
Muy Extr. Exc. buena buena buena
2,3 m 2,5 m
20 10 Longitud de los pernos, en m, 7 para ESR = 1 5
(4)
(3)
250 mm
5
A
Media Buena
(2)
4,0 m
(1) 3
3,0 m
150 mm 120 mm mm 90 mm Espesor del gunitado
50 mm
2
40 mm2,0 m
2.4 1,5 m Espaciado de los pernos en zonas no gunitadas 1.5
1,3 m 1,0 m
0,001
0,004 0,01
0,04 0,1
0,4
1
4
10
40
100
400
1000
Indice de calidad del macizo rocoso, Q
CATEGORÍAS DEL REFUERZO 1) Sin sostenimiento 2) Pernos aislados, sb 3) Pernos sistemáticos, B 4) Pernos sistemáticos y gunita de espesor 40-50 mm, 5) Gunita de 50-90 mm de espesor reforzada con fibra y pernos, sfr+B 6) Gunita de 90-120 mm de espesor reforzada con fibra y pernos sfr+B
7) Gunita de 120 : 150 mm de espesor reforzada con fibra y pernos sfr+B 8) Gunita de espesor >150 mm; reforzada con fibra y cerchas de acero reforzadas con gunita y pernos sfr+RRS+B 9) Hormigón en masa CCA
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111 221
COMPARACION 1
0.7
0.5
2
4
3
10
5 6 7 8
20
30
Very weak
Low strength
Low strength
Very low strength
Very soft rock
Soil
Hard rock
Strong
700
Coates 1964
High strength
Very high strength
Deere and Miller 1966
Very strong
Extremely strong
Geological Society 1970
Low strength
1
2
3
4
5 6 7 8
10
20
Extremely high strength
Very high strength
Very hard rock
Very low strength
Very low
0.7
Medium strength
300 400
Very strong
Strong
High strength
Medium strength
Soft rock
Soil
0.5
200
Rock
Soil Extremely low strength
Moderality strong
Moderality weak
Weak
100
70
Weak
Very low strength
Very weak
40 50
Extremely hard rock
Jennings 1973
Bieniawski 1973
Low strength
Medium strength
High strength
Very high strength
Moderate
Medium
High
Very hugh
30
40 50
70
100
Broch and Franklin 1972
200
300 400
ISRM 1979
700
Uniaxial compressiver strenght. MPa
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222
INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas 3. Propiedades de las rocas y de los suelos 4. Tipos de deslizamientos 5. Criterios de rotura 6. Proyección estereográfica 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña) 8. Falla no estructuralmente controlada (ciruclar, mixta, pandeo) 9. Métodos numéricos 10. Taller
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112 223
INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas 3. Propiedades de las rocas y de los suelos 4. Tipos de deslizamientos 5. Criterios de rotura 6. Proyección estereográfica 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña) 8. Falla no estructuralmente controlada (ciruclar, mixta, pandeo) 9. Métodos numéricos 10. Taller
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224
INDICE Definición de suelo Propiedades y tipos de suelos • Composición mineralógica y tamaño de grano • Porosidad • Peso específico • Permeabilidad • Durabilidad • Resistencia • Velocidad de las ondas sónicas
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113 225
DEFINICION DE SUELO (Ing.) Material natural mezcla de materiales sólidos (minerales u orgánicos), líquidos (agua) y gaseosos (aire) para cuya disgregación no es necesario aplicar una cantidad importante de energía. Es una parte no consolidada y superficial de la corteza terrestre, que tiende a desarrollarse por los procesos de degradación de las rocas (meteorización, erosión, transporte y sedimentación)
(Geol.) Interfase entre la geosfera, la biosfera y la atmósfera Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
226
PROPIEDADES DE LOS SUELOS Relación de volúmenes y pesos en suelos PESOS
VOLUMENES Va
AIRE
Vw
AGUA
Ww
Vs
SOLIDOS
Ws
0.0
Vv Vm
Vs
Vm Vv Va Vw Vs
: volumen de la muestra: Vm = Vv + Vs : volumen de vacíos. Vv = Va + Vw : volumen del aire : volumen del agua : volumen de sólidos
Wm
W m : peso del agua W s : peso de sólidos W m : peso de la muestra
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114 227
PROPIEDADES DE LOS SUELOS Porosidad (n) =
Volumen de poros Volumen total
e=
n
n=
1-n
e
1+e
Volumen de poros
Índice de poros (e) =
Volumen de sólidos
Tipo de suelo
e max.
e min.
Arena
0.9
0.2
Limo
1.1
0.4
Arcilla blanda
2.3
0.6
turba
2.5
2.0
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228
PROPIEDADES DE LOS SUELOS
Grado de saturación (Sr) =
Grado Saturación
Volumen de agua
x 100
Volumen de poros
Denominación
0
Seco
1-25
Ligeramente húmedo
26-50
Húmedo
51-75
Muy húmedo
76-99
Mojado
100
Saturado
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115 229
PROPIEDADES DE LOS SUELOS emax – e
Compacidad (Dr) =
emax – emin
Compacidad (%)
Denominación
0-15
Muy suelta
15-35
Suelta
35-65
Media
65-85
Compacta
85-100
Muy compacta
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230
PROPIEDADES DE LOS SUELOS Densidad (ρ) = masa / volumen (kg/m3)
Peso específico (γ) = peso / volumen (kN/m3)
Volúmenes
Pesos
V0
Peso seco (γd) = W s / V
Aire
Agua e=
Peso saturado (γsat) = (W s + W w)/ V Densidad de las partículas
Vw
n
1-n
Mw
n= Vs
Ww
e
1+e Ms
Ws
Partículas sólidas
Masas
Humedad relativa (w) = W w / W s
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116 231
PROPIEDADES DE LOS SUELOS SUELO
n
e
3 ) d(ton/m)
3 ) sat(ton/m)
1)
Arena uniforme, suelta
0.46
0.85
32
1.43
1.89
2)
Arena uniforme, compacta
0.34
0.51
19
1.75
2.09
3)
Mezclas de arena, sueltas
0.40
0.67
25
1.59
1.99
4)
Mezclas de arena, compactas
0.30
0.43
16
1.86
2.16
5)
Limo cólico (Loes)
0.50
0.99
21
1.36
1.86
6)
Morrena, granos muy mezclados
0.20
0.25
9
2.12
2.32
7)
Arcilla glacial blanda
0.55
1.20
45
1.22
1.77
8)
Arcilla glacial dura
0.37
0.60
22
1.70
2.07
9)
Arcilla blanda con poca materia orgánica
0.66
1.90
70
0.93
1.58
10)
Arcilla blanda con mucha matería orgánica
0.75
3.0
110
0.68
1.43
0.84
3.2
194
0.43
1.27
11)
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232
TIPOS DE SUELOS Se clasifican según distintos puntos de vista: Geología Química Climática Genético Ingenieril
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117 233
TIPOS DE SUELOS Geológica Fallou: Historia, geografía, conjunto de constituyentes, estructura y funcionamiento. Química Gedroitz: Grado de saturación del complejo adsorbente. Von Sigmond: Catión dominante del complejo adsorbente. Pallman: Intensidad, dirección y elementos del lavado. Climática Suelos zonales: dependen del clima. Suelos intrazonales: independientes del clima. Suelos azonales: poco evolucionados. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
234
TIPOS DE SUELOS
Loésico
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118 235
TIPOS DE SUELOS
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236
TIPOS DE SUELOS
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119 237
TIPOS DE SUELOS Materia orgánica
Fragmentos minerales y materia orgánica
Materia orgánica
Humus
Horizonte A
Horizonte A
Horizonte B
Roca en desintegración
Roca madre
Lecho rocoso
Lecho rocoso
I
El lecho rocoso empieza a desintegrarse.
II
La materia orgánica facilita la desintegración.
Roca madre
Roca madre
Horizonte C
Horizonte C
Lecho rocoso
Lecho rocoso
IV
III Se forman los horizontes.
El suelo desarrollado sustenta una vegetación densa.
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238
TIPOS DE SUELOS Histosoles Gelisoles
Aridisoles Alfisoles
Entisoles
Ultisoles
Oxisoles
Molisoles
Espodosoles
Inceptisoles Vertisoles Andisoles
Grado de meteorización
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120 239
TIPOS DE SUELOS
Entisol
Vertisol
Oxisol
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240
TIPOS DE SUELOS Ingenieril. Tiene en cuenta los siguientes aspectos: 1. Textura 2. Estructura 3. Consistencia 4. Densidad 5. Aireación 6. Temperatura 7. Color
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121 241
TIPOS DE SUELOS Ingenieril 1. Textura: proporción de tamaño de partículas. Cuatro tipos fundamentales:
Gravas Arenas Limos Arcillas
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242
TIPOS DE SUELOS Suelos finos
Suelos gruesos
Limo
Arena
Suelos muy gruesos
Grava
Arcilla
600
B 200
60
20
6
2
0,6
0,2
0,06
0,02
LM LG AF AM AG GF GM GG C 0,006
0,002
LF
Ø mm
Grain Size (mm) 100
Arena
10
1
0.01
0.1
0.001
0.0001
Classification System Gravel
Unified 75
Sand 2
75
Lima
Gravel
MIT
.06 Sand
4.75
75
Silt
Clay .002
Silt
Sand 2
Clay .002
.075
Gravel
USDA
.002 Silt
Sand
Gravel
ASTM
Clay
Silt .05
2
Arcilla
100 µ
.075
Gravel
AASHTO
Fines (silt and clay)
Sand 4.75
.05
Clay .002
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122 243
TIPOS DE SUELOS
INTERNATIONAL ISO 566 (TBL 2): 1983 Nominal opening mm 25 19 9,5 4,75 2,36 1,18 0,600 0,300 0,075
AMERICAN ASTM E 11-87 Alt. US Std. inch/sieve 1” 3/4" 3/8" #4 8 16 30 50 200
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244
TIPOS DE SUELOS
Cu =
D 60
Resultados: La curva granulométrica Uniforme
D10
Poco uniforme Bien graduada
Continua Discontinua Uniforme:CU < 5 Poco uniforme:20 > CU > 5 Bien graduado:C U > 20
Estos parámetros ayudan a determinar el origen geológico de los sedimentos
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123 245
TIPOS DE SUELOS Clasificación I.T.M.
Limo
Arena Gruesa
Media
Fina
Media
Gruesa
Arcilla Fina
Media
Gruesa
Fina
100
D60 = 0,40 mm D10 = 0,04 mm
90
Porcentaje de tamaño inferior, en peso
80 70
D60/D10 = 10
60
Arena limosa bien graduada
50 40 30 20
Por mallas o tamices
+ +
+ Por hidrómetros 10 0 10
1.0
D60=0.42
0.1
+
++
+
D10=0.04
+ +
++ + 0.01
++
0.001
0.0001
Diámetro (mm)
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246
TIPOS DE SUELOS Grava. Es fácil aislar un clasto (guijarro), proyectil. Arena. Cuesta un poco seleccionar un grano con dos dedos. Arena gruesa: es muy rugosa Arena media: resulta áspera al tacto Arena fina: resulta agradable al tacto Limo. No se ven granos a simple vista, pero se notan al tacto y al masticar. Arcilla. No se ven granos, al masticar no se notan granos, tacto suave. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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124 247
TIPOS DE SUELOS Ingenieril 2. Estructura: forma en la que las partículas del suelo se reúnen para formar agregados. A. Prismática B. Blocosa o columnar C,D. Esferoidal (redondez) E. Laminar F. Granular A
B
E
C
D
F
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248
TIPOS DE SUELOS Ingenieril 3. Consistencia, resistencia a la deformación o ruptura: suelto, suave, duro, muy duro (labranza).
Formas de consistencia
Seco
Humedo
Duro y rígido
Blando Friable
Resistente Plástico Pegajoso
Viscoso Pegajoso
Terrones
Optimas Condiciones
Enlodamiento
Fluido
Mojado
Aumenta el contenido de humedad
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125 249
TIPOS DE SUELOS Ingenieril 3. Consistencia: plasticidad (límites de Atterberg), resistencia a la penetración. Agua higroscópica
Agua infiltrada
Agua absorbida
Agua capilar
Nivel freático
Agua capilar
Agua freática
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250
TIPOS DE SUELOS 12 mm, 25 golpes Mezcla fluida de agua y suelo
8mm
Estado Líquido
Ranurador
líquido plástico
13mm
Límite líquido W1 Ensayo del límite líquido
Estado plástico
Humedad creciente
plástico friable
Límite Plástico W p
Estado semisólido friable seco
Límite de retracción W s o contracción
Estado Sólido
Suelo Seco
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126 251
TIPOS DE SUELOS Índice de plasticidad Facilidad de manejo del suelo, contenido y tipo de arcilla presente en el suelo. IP = LL – LP < 10 no plástico IP = LL – LP > 10 plástico IP = LL – LP ~ 20 muy plástico Tipo de suelo
Arena
Limo
Arcilla
Límite líquido
15-20
30-40
40-150
Límite plástico
-
20-25
25-50
12-18
14-15
8-35
Limite de retracción
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252
TIPOS DE SUELOS Resistencia a la penetración
Índice integrado de compactación, de humedad, de textura y de tipo arcilla.
440
400
Presión aplicada (Ib/pulg 2 )
360
4
320 280
3
240
2
200 1
160
Profundidad (pulg)
120 80 40 0 0
2
4
Humedad (%) 1
2
3
0-3
33.3
27.6
17.9
3-6
30.4
26.5
6 - 12
26.0
24.8
20.4 20.1 22.9 18.5
6
8
10
4 23.6
Es un índice de resistencia del suelo. SPT (rechazo: 50).
12
Profundidad de penetración (pulg)
Efecto de la humedad del suelo en las lecturas del penetrómetro. (Shaw y col. 1942. citado por Baver y Col., 1973)
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127 253
TIPOS DE SUELOS Ingenieril 4. Densidad: peso por volumen del suelo. Muy poroso menos denso Poco poroso más denso Más materia orgánica más poroso menos denso
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254
TIPOS DE SUELOS
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128 255
TIPOS DE SUELOS Ingenieril 5. Aireación: contenido de aire del suelo. 6. Temperatura: importante para la labranza.
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256
TIPOS DE SUELOS Ingenieril 7. Color: depende de los componentes y varía con la humedad. Rojo: contenido de óxidos de fierro y manganeso Amarillo: óxidos de hierro hidratado Blanco y gris: presencia de cuarzo, yeso y caolín Negro y marrón: materia orgánica
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129 257
Clasificación rocas sedimentarias SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACION DE SUELOS (SUCS) ASTM D 2487 Clasificación de suelos Criterios para la asignación de símbolos de grupo y nombre de grupo con el uso de ensayes de laboratorio
Gravas limpias Menos del 5% pasa la malla N.º 200 Gravas Más del 50% de la fracción gruesa es retenida en la malla N.º 4
Gravas con finos Más del 12% pasa la malla N.º 200
Gravas limpias y con finos Entre el 5 y 12% pasa malla N.º 200
Suelos de partículas gruesas más del 50% es retenido en la malla N.º 200
Arenas limpias Menos del 5% pasa la malla N.º 200 Arenas El 50% o más de la fracción gruesa pasa la malla N.º 4
Arenas con finos Más del 12% pasa la malla N.º 200
Arenas limpias y con finos entre el 5 y 12% pasa malla N.º 200
Inorgánicos Limos y arcillas Límite Líquido menor que 50
Símbolo de grupo
Nombre del grupo
GW
Grava bien graduada Grava mal graduada
Cu > 4 y 1 < Cc < 3 Cu < 4 y 1 > Cc > 3
GP
IP Cc > 3
Arena mal graduada
IP R +R c ó > ap
F = (tg
ap /tg
)
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252 503
ROTURA PLANAR METODO DE JOHN Con fuerza externa Resultante peso bloque + fuerza externa
T
(la fuerza puede ser favorable o contraria al deslizamiento) ap
Cono de fricción aparente
R
Se
Ne
(fuerza de rozamiento más cohesión)
F = (R + R c )/ S e = (W e cos tg ap )/ (We sen )
F = (tg
ap /tg
R = Rc +R W
We
)
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504
FALLA ESTRUCTURALMENTE CONTROLADA: ROTURA EN CUÑA
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253 505
ROTURA EN CUÑA Dos discontinuidades oblicuas a la superficie del talud. Buzamiento de la línea de intersección debe ser menor que el de la superficie del talud El buzamiento de la línea de intersección debe ser mayor al ángulo de fricción de las dos superficies.
Superficie superior Plano B Superficie del talud
4 3 Plano A
5
2
1
Típico de macizos rocosos con discontinuidades bien marcadas.
1 2 3 4 5
Intersección del plano A con el frente del talud Intersección del plano B con el frente del talud Intersección del plano A con la superficie superior del talud Intersección del plano B con la superficie superior del talud Intersección de los planos A y B
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506
ROTURA EN CUÑA Cuña directa: los planos se inclinan en sentido diferente. Cuña inversa: la inclinación va en el mismo sentido.
Cuña de deslizamiento
• Dos ángulos de fricción, uno por plano. • El agua puede empujar por dos planos distintos. • Se utiliza la proyección estereográfica para su análisis Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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254 507
ROTURA EN CUÑA, METODO ANALITICO (HOEK Y BRAY) Caso más simple:
½
Fricción para ambos planos de la cuña.
W cos
El ángulo de fricción es el mismo.
F = [(R A + R B ) tg
W sen
RB
W
RA W cos Sección a lo largo de la línea de intersección
Sección transversal
]/Wsen F = [sen /sen ½ ][tg
R A sen (
-½
) = R B sen (
/tg
]
+½ )
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508
ROTURA EN CUÑA, METODO ANALITICO (HOEK Y BRAY) Dos planos sin cohesión y sin presencia de agua. F = A tg
a+
B tg
b
5.0
5.0
4.5
4.5
4.0
4.0
3.0 2.5 2.0
1.5
1.5
1.0
1.0
0.5
0.5
0
0 20 40 360 340 320
60 80 100 120 140 160 180 300 280 260 240 220 200
0
Buzamiento plan B
0 20 40 360 340 320
Diferencia entre las direcciones de buzamientos (grados)
60 80 100 120 300 280 260 240
40 50 6 70 800 90
2.0
Parámetro B
30
2.5
20
3.5 Buzamiento plano A
3.0
4 50 0 60
Parámetro A
3.5
140 160 180 220 200
Diferencia entre las direcciones de buzamientos (grados)
Abacos para una diferencia de buzamientos entre los planos que forman la cuña de 30º
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255 509
ROTURA EN CUÑA, METODO DE JOHN
Se precisa saber el peso del bloque. Rotura de cuña
Representación estereográfica. Cono de fricción: La fuerza de rozamiento actúa uniformemente en el contacto bl bloque / l /plano y es la l misma i en cualquier dirección.
N
Talud
Dirección de deslizamiento
Planos de discontinuidad que forman la cuña
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510
ROTURA EN CUÑA Cuña sin cohesión N
Deslizamiento en función del ángulo de fricción aparente p Φi
Ni
Na
Nb
1.
2. 3.
Se dibujan los planos A y B, sus polos (Na, Nb) y la línea de intersección entre los planos. Se trazan círculos máximos desde el punto de intersección hasta los polos.
Cono de fricción
O
a a’
b
i i’
Plano B
b’
Plano A Cono de fricción
S
Se dibujan los conos de fricción (marcando los grados correspondientes en el circulo máximo)
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256 511
ROTURA EN CUÑA
N
Cuña sin cohesión Ni
Na
4. Obtención puntos a y b: corte conos de fricción y círculos máximos trazados anteriormente.
Nb O
a
Cono de fricción
Plano A
b
i
a’ a
i’
b’
Cono de fricción
Plano B
5. Línea o con la intersección de los dos planos.
S
Línea de intersección
6. Circulo máximo con a y b. La intersección con la línea o es el punto i.
O Na
Ra
Nb
Ni Qa R j
7. Circulo máximo que une los polos y se obtiene Ni en la intersección con la recta oi.
Qb
Rb
Qi i
B A
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512
ROTURA EN CUÑA Cuña sin cohesión N
8. Medición del ángulo de rozamiento aparente (medido en el circulo máximo entre Ni y Oi) i 9. Medición del ángulo ii medidos en el círculo máximo de Ni y W.
Na
W
Plano B
F = tg i /tg i
i
i
Ni
Nb i
Plano A F=
S
tg i tg i
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257 513
ROTURA EN CUÑA
N
Cuña con fricción 1. Se dibujan los planos A y B, sus polos y la línea de intersección entre los planos.
Ni
Na
O
a
Cono de fricción
2. Se trazan círculos máximos desde el punto de intersección hasta los polos.
Nb
b
i
a’
i’
Plano A
b’
Cono de fricción
Plano B
3. Se calcula los nuevos conos de fricción: S
tg
ap (a)
= (R
( ) (a)
+ R c (a) ( ) )/N a = (Na tg
a
+c a A a )/Na
Na = N i cos
tg tg
ap(a)
+ (c a Aa /Wcos cos a ) = tg b + (c b Ab /Wcos cos b )
= tg
ap (b)
ay
a
Ni = W cos
Siendo alfa el ángulo de la intersección de los planos con la horizontal y gamma el ángulo entre Ni y Na o Nb (según sea)
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514
ROTURA EN CUÑA Cuña con fricción
N
4. Se obtienen a’ y b’ igual que anteriormente
Ni
Na
5. Se realizan los mismos pasos que en el caso anterior hasta calcular el coeficiente de seguridad.
F = tg
i(ap)
/tg
Cono de fricción
Nb
a a’
O b
i i’
b’
Plano B
Plano A Cono de fricción
i S
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258 515
ROTURA EN CUÑA N
Cuña con empuje hidrostático T
1. Se proyectan las fuerzas correspondiente a la presión del agua en cada plano (Ua y Ub son de sentido contrario a Na y Nb y perpendiculares al plano).
Ni i
Na
Nb
Wt
W
Plano B
a’
i
Plano A
b’ i’ i’ We U
U
U
2 Se mide Angulo 2. Ang lo entre Ua y Ub en circulo máximo. S
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516
ROTURA EN CUÑA Obtención de la fuerza de agua resultante que actúa sobre la cuña.
Cuña con empuje hidrostático 3. Cálculo de la resultante Uab y su dirección (Angulo Uab-Ua o Uab-Ub)
Ua Ua Ub
Uab
Ua
27º 62º
Ub = 62º Uab = 27º Uab = 35º Ua = 3 10 3 t Ua = 2,4 103 t Uab = 4,6 10 3 t
Ub
N
4. Se proyecta Uab sobre el circulo máximo que una Ua y Ub con el ángulo medido en 3.
T Ni i
Na
Nb
5. Se mide el ángulo entre w y Uab en el círculo máximo, obteniendo We
Wt
W
Plano B
a’
Plano A
i
i’ i’ We
b’
U
U
U
S
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259 517
ROTURA EN CUÑA Cuña con empuje hidrostático
21º
Obtención de la magnitud de la fuerza a aplicar por el elemento de retención conociendo la dirección de aplicación.
We
6. Se p proyecta y We sobre el círculo máximo que une w y Uab.
Wt
T
7. Se calcula el factor de seguridad midiendo los ángulos análogamente a los casos anteriores.
F = tg
/tg
i (ap)
i
We Wr
Wt = 21º T = 58º
We = 9,4 103 t Wt = 10,9 103 t T = 4 10 3 t
58º
79º
N
T Nii
Na
Nb
Wt
W
Plano B
a’
i
Plano A
b’ i’ i’ We U
U
U
S
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518
ROTURA EN CUÑA Cuña con fuerza externa
N
1. Elemento T (externo) prefijado el ángulo g con la cara del talud y el FS deseado. 2. Se proyecta T con su dirección e inclinación (aquí perpendicular al talud).
T Ni i
Na
Nb
W
Plano B
a’
i
U U
3. Se dibuja el circulo máximo que une T y We
tg
i
= tg
i
Plano A
b’ i’ i’ We
U
4. FS esta impuesto por lo que se deduce el angulo entre Ni y Wt
Wt
S
/F
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260 519
ROTURA EN CUÑA
N
T
Cuña con fuerza externa
Nii
Na
5. Conociendo el ángulo se proyecta la fuerza sobre el circulo máximo que une T y We.
Nb
W
Plano B
a’
i
Plano A
b’ i’ i’ We U
U
U
6. Se mide el angulo Wt-We. Para conocer la fuerza que debe ejercer T se recurre a una construcción: Obtención de la magnitud
S
y dirección del peso de la cuña considerando la influencia del agua.
Uab W = 39º W We = 18º Uab We = 21º
Wt
We
Uab
21º
39º W W = 5.4 103 t Uab = 4.6 103 t We = 9.4 103 t
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520
METODO SIMPLIFICADO DE HOEK Y BRAY Simplificaciones: Cuñas sin g grietas de tracción
W . cos
i ti
W
Cuñas con igual ángulo rozamiento en ambos planos
de
i
W . sen
i
½E
Cohesión nula
B
Sin presiones intersticiales NB
NA
Sin efecto sísmico W . cos
i
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261 521
METODO SIMPLIFICADO DE HOEK Y BRAY Aplicando el equilibrio de fuerzas en horizontal y vertical se obtiene: N A sen( -
/2) = NB sen(
-
/ 2)
NA + NB = N A sen( -
/2) = NB sen(
Luego F.S:
FS =
-
/ 2) = W cos
W cos i sen sen(
/2 )
i
(N + N ) tg W sen
i
Sustituyendo y simplificando:
FS =
sen sen(
tg /2 )tg
i
B angulo de la bisectriz de la cuña con la horizontal Ç angulo de apertura de la cuña (entre A y B) hay que hallarlos en la falsilla Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
522
METODO DE HOEK Y BRAY CON COHESION Y DISTINTOS ANGULOS Superficie superior Plano B
Con cohesión
Superficie del talud
4
Angulos de rozamiento diferentes en los planos de discontinuidad.
3 Plano A
5
2
1
Con presiones intersticiales (se considera a la cuña impermeable, infiltración por líneas 3 y 4; drenaje por líneas 1 y 2. La presión intersticial = 0 a lo largo de las cuatro líneas y alcanza su máximo a lo largo de la línea de intersección)
No se tienen en cuenta las grietas de tracción. No se tiene en cuenta el efecto sísmico. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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262 523
METODO DE HOEK Y BRAY CON COHESION Y DISTINTOS ANGULOS El factor de seguridad, asumiendo las nuevas hipótesis, es: FS =
3 H
w
(CA X +C C B Y) + A -
X.Y.A,B:
2
X
t tg
A+
w
B
2
Y ttg
B
factores adimensionales que dependen de la geometría de la cuña y que se extraen de las siguientes expresiones:
X=
Y=
sen sen
sen sen
24
45 cos
A=
13
35 cos
cos
B=
a
sen
2 na
cos
1 nb
b
sen
cos 5 sen
cos 5 sen
b
2
a
2
cos
nanb
nanb
cos
nanb
nanb
Donde: a
b:
buzamiento de los planos A y B
5:
inclinación de la recta 5.
ij:
ándulo que forman las rectas i y j. Se han llamado ma y nb a las rectas perpendiculares a los planos A y B respectivamente.
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524
METODO DE HOEK Y BRAY CON COHESION Y DISTINTOS ANGULOS Los ángulos necesarios se obtienen con la falsilla estereográfica: N
Círculo máximo del plano B
Círculo máximo del plano A Polo del plano B
na . nb
Nb
Polo del plano A
1 . nb
Na
Círculo máximo del talud
Círculo máximo del plano superior a la cresta del talud
Dirección de deslizamiento
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263 525
METODO DE HOEK Y BRAY CON COHESION Y DISTINTOS ANGULOS Si se trata de un terreno seco el factor de seguridad será: A y B se obtienen mediante ábacos:
FS = A tg φa + B tg φb Abaco para el valor de A
a
Abaco para el valor de B
= 10º 5.0
4.5
4.5
4.0
4.0
3.5
3.5
Coeficciente B
20
40
40
1.5
70
50 60
1.5
Buzamiento plano B
2.0
30
30
2.5
0.5
0.5
00 360
Hay ábacos hasta los 70º
1.0
80
1.0
90
2.0
= 10º
a
3.0
Buzamiento plano A
2.5
b
5 60 0 70 80
3.0
Coefici ente A
b
5.0
20 340
40 320
60 300
80 280
100 260
120 240
140 220
160 200
180
Diferencia entre direcciones de buzamiento (º)
0
0 360
20 340
40 320
60 300
80 280
100 260
120 240
140 220
160 200
180
Diferencia entre direcciones de buzamiento (º)
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526
INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas 3. Propiedades de las rocas y de los suelos 4. Tipos de deslizamientos 5. Criterios de rotura 6. Proyección estereográfica 7 Falla estructuralmente controlada (planar, 7. (planar cuña) 8. Falla no estructuralmente controlada (ciruclar, mixta, pandeo) 9. Métodos numéricos 10.Taller Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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264 527
INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas 3. Propiedades de las rocas y de los suelos 4. Tipos de deslizamientos 5. Criterios de rotura 6. Proyección estereográfica 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña) 8. Falla no estructuralmente controlada (ciruclar, mixta, pandeo) 9. Métodos numéricos 10. Taller
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528
FALLA NO CONTROLADA ESTRUCTURALMENTE: ROTURA CIRCULAR
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265 529
INDICE Rotura circular • Métodos de estabilidad global. • Métodos de dovelas. • Métodos Mét d aproximado. i d
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530
ROTURA CIRCULAR Elementos del talud:
Círculo de rotura
Coromamiento Talud Pie
H
Base x
D
Parámetros resistentes del terreno: c>0 >0
Base firme Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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266 531
ROTURA CIRCULAR La superficie de deslizamiento es asimilable a una superficie cilíndrica cuya sección transversal se asemeja a un arco de círculo. • • • • • • •
Se da frecuentemente en: Suelos homogéneos. Rocas altamente fracturadas Escombreras Taludes explotación de arenas y arcillas. Presas de estériles. Taludes de carretera
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532
ROTURA CIRCULAR Falla profunda: por debajo del pie del talud. Falla de pie: en el pie del talud. Falla de talud: Con rotura en el talud.
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267 533
ROTURA CIRCULAR o Centro del círculo
A
de rotura
r
FUERZA EXTERNA
b
rc r PESO P c
T - T c+ T
a
T
EMPUJE DE AGUA N
U
Fuerzas que actúan en una rotura circular
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534
ROTURA CIRCULAR
Métodos de estabilidad global Método de la espiral logarítmica Arco circular
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268 535
Método de la espiral logarítmica (Frohlich, 1953): La superficie de falla es un arco de una hipotética espiral logarítmica con su centro.
Centro
r = r0 e
ro
tan d
El radio vector en cualquier punto forma un ángulo con la normal a la curva en dicho punto. Todas las resultantes normales y de fricción pasan por el centro de la curva 0.
d
ángulo de rotación
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536
Método de la espiral logarítmica (Frohlich, 1953): El radio de la espiral varía con el ángulo de rotación:
r = r0 e tan d
d es el ángulo de fricción desarrollado. Depende del ángulo de rozamiento y del factor de seguridad.
Este método satisface los equilibrios de fuerzas y de momentos, por lo que es un método relativamente preciso preciso. En términos de resistencias desarrolladas se tiene que:
= cd – tan d Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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269 537
ARCO CIRCULAR Unicamente para suelos cohesivos.
a
Parecido a la espiral logarítmica pero esta utiliza un círculo. r
Los cálculos son mucho más sencillos que en el caso anterior. Supone un circulo de falla donde se analizan los momentos con relación al centro.
w c
l
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538
ARCO CIRCULAR F=
clr Wa
Donde: c = cohesión l = longitud del arco de círculo r = radio del círculo W = peso total de la masa en movimiento a = brazo de la fuerza W con respecto al centro del círculo
Satisface el equilibrio de fuerzas y momentos. Permite la utilización de cohesiones diferentes a lo largo del arco circular. La dificultad es calcular el brazo (a) para el momento de la fuerza W
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270 539
METODOS DE DOVELAS (FAJAS) Consiste en dividir la superficie de deslizamiento en varios segmentos de ancho y analizar las condiciones de equilibrio de cada rebanada. Métodos aproximados (más incógnitas que ecuaciones): Centro del círculo • Fellenius crítico de rotura Rad • Bishop simplificado io ( R) • Janbu
Cresta del talud
Dolvelas
Métodos precisos: • Morgenstern Morgenstern-Price Price • Spencer • Bishop riguroso
Superficie del nivel freático Resistencia al cizallamiento
Pie del talud Dirección de la rotura
Superficie potencial de rotura
Masa deslizante
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540
METODOS DE DOVELAS (FAJAS) En el cálculo de cada rebanada hay que tener en cuenta las fuerzas que ejercen las rebanadas superior e inferior, así como los empujes del agua. Suelen utilizarse programas de ordenador. centro
r, radio 10 9 7
1
2
3
4
5
6
8
Ejemplo, 10 fajas
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271 541
METODOS DE DOVELAS. METODOS APROXIMADOS Entre los métodos aproximados los más comunes son: Método de Fellenius Método de Bishop simplificado (el más extendido) Método de Janbu
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542
METODO DE FELLENIUS (1927) El primer método de dovelas en ser ampliamente aceptado Ignora las fuerzas entre dovelas Considera el peso y las presiones intersticiales Es el caso más sencillo y el que proporciona un factor de seguridad más conservador Solo aplicable a superficies circulares
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272 543
METODO DE FELLENIUS (1927) Se basa en que la suma de momentos estabilizadores, son iguales a los momentos desestabilizadores. M
M
=
E
D
Las fuerzas que actúan sobre una dovela son: • El peso del material y el agua. • Fuerzas resistentes de cohesión y fricción. N
FS =
D
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544
METODO DE FELLENIUS (1927) bl x = Rsen Grieta de tracción a
x l+1 z
Q
hw1 El+1
z/3 Q=
1 2
wz
2
(+)
xl wl Sl
a R l
(-)
El
hl
R
Superficie del nivel freático
Nl Ll
L = b/cos
Dovela n
c’L i + (Wi cos FS =
i
- u i L i) tan
i =1 n
Wi sen
i
i =1
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273 545
METODO DE BISHOP SIMPLIFICADO Solo aplicable a superficies de rotura circulares. Similar al método de Fellenius pero considerando el equilibrio ilib i de d fuerzas f en la l dirección di ió vertical. ti l La solución es indeterminada por lo que requiere un proceso iterativo. Los factores de seguridad obtenidos son más altos que los de Fellenius. Fellenius Proporcionan resultados similares a los métodos precisos.
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546
METODO DE BISHOP SIMPLIFICADO La simplificación consiste en considerar nula la componente vertical resultante de las fuerzas ejercidas por las demás fajas sobre los laterales de las rebanadas. Su error suele ser inferior al 10%. T+ T F=
T
i
+ (Wi - U i cos Wi sen
E+ E
W
E
li cos
ci
l S
y
N
m
i
= cos i +
sen
i
i
) tan
i
/m
i
i
tan
F
x Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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274 547
METODO DE BISHOP SIMPLIFICADO El valor de Mi() se puede obtener también por:
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548
METODO DE JANBU Aplicable a cualquier superficie de rotura. No cumple el equilibrio de momentos pero si de fuerzas. La solución requiere un proceso iterativo.
T+ T T
línea de rotura cualquiera
E+ E
W
E
l S
y
N
x
Fs =
ci
li cos
i
+ (W + T - Ui )tg i)/m (W i + T ) tg
i
cos i
i
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275 549
METODO DE JANBU Se obtiene el coeficiente de seguridad de Janbu simplificado se puede corregir:
f FJanbu J b simplificado i lifi d corregido id = 0 FJanbu simplificado Este valor simplificado corregido tiende a aproximarse al valor que se obtendría mediante el método de Janbu generalizado. La corrección se obtuvo realizando cálculos de ambos tipos para un número elevado de casos y calculando las correcciones necesarias.
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550
METODO DE JANBU FJanbu simplificado corregido = f0 FJanbu simplificado f0 es una función de la geometría del deslizamiento y de los parámetros á t resistentes i t t del d l suelo l f0 se puede calcular por formulación o por ábaco
f0 = 1 + b l
d L
1.4
d L
L
2
d Superficie de rotura
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276 551
METODO DE JANBU FJanbu simplificado corregido = f0 FJanbu simplificado f0 es una función de la geometría del deslizamiento y de l parámetros los á t resistentes i t t d dell suelo l f0 se puede calcular por formulación o por ábaco 1.2
Suelos Cohesivos
f
=0
1.1
L
Suelos Mixtos
d
c-
Suelos Granulares
Superficie de rotura
c= 0
1.0
0.1 0.2 d/L Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade 0
0.3
0.4
552
FALLA NO CONTROLADA ESTRUCTURALMENTE: ROTURA MIXTA
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277 553
ROTURA CON SUPERFICIE MIXTA Taludes rocosos con buzamiento de estratos contrarios a la inclinación del talud y dirección paralela al mismo mismo. Rotura en bloques. Puede haber, o no flexión. FS no aplicable aplicable. Bloque inestable Fractura abierta
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554
ROTURA CON SUPERFICIE MIXTA La estabilidad del talud se cuantifica por medio de la fuerza estabilizadora que se ha de aplicar en la columna situada en el pie del talud para obtener el equilibrio estricto. Es la inestabilidad típica de los taludes de techo en cortas mineras con capas inclinadas.
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278 555
ROTURA CON SUPERFICIE MIXTA Geometría de la rotura por vuelco de bloques Dos familias de planos con orientación similar al talud. talud Círculo máximo que representa el plano del talud
N
Cresta del talud
Plano de talud Polos planos 2
Polos planos 1
Planos 1 Planos 2
Círculos máximos correspondientes a los centros de concentración de polos
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556
ROTURA CON SUPERFICIE MIXTA Tipos de bloques Generalmente en el momento de la rotura se pueden definir tres conjuntos de bloques: 1n
n
b
hn
Bloques estables
Bloques deslizantes a pie del talud.
2 Bloques volcadores f Bloques deslizantes
Bloques Bloq es estables en la parte ssuperior perior del tal talud. d Bloques volcadores entre los dos grupos anteriores. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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279 557
ROTURA CON SUPERFICIE MIXTA CORONACION
Su análisis se realiza estudiando las condiciones de cada bloque. Se puede distinguir: Bloques en coronación talud:
Mn Yn a1
Bloques por debajo de la coronación:
b
a) Pn
L 1cos( + )
Pn-1
T
Pn-1 tg
Wn
L1
b)
Vuelco
+ c)
Pn Qn
L n = Yn - a1
Bloques por encima de la coronación
BLOQUE
Pntg
Sn Rn
Mn = Yn
Ln
T
Mn = Yn - a 2 L n = Yn - a1
a2
x
Qn - 1
Wn
Pn - 1
Rn tg Rn Deslizamiento
Mn = Yn - a 2 L n = Yn Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
558
ROTURA CON SUPERFICIE MIXTA Cada bloque puede sufrir inestabilidad por vuelco o deslizamiento. Las condiciones son: Condición de deslizamiento : b > Condición de vuelco : tan b > t/h a) b < No existe deslizamiento 1) tan b < t/h No existe vuelco. 2) tan b > t/h Existe vuelco vuelco. a) b > Existe deslizamiento 1) tan b < t/h No existe vuelco. 2) tan b > t/h Existe vuelco.
t h
b
w
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280 559
FALLA NO CONTROLADA ESTRUCTURALMENTE: PANDEO
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560
ROTURA POR PANDEO Se produce a favor de planos de estratificación paralelos al talud El buzamiento de los planos de estratificación debe ser mayor que rozamiento interno. Rotura puede ser: • Con flexión. flexión • Sin flexión.
H
f
Para poder pandear los estratos deberán de ser lo suficientemente esbeltos. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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281 561
ROTURA POR PANDEO Causas de la rotura por pandeo: Altura excesiva del talud. Existencia de fuerzas externas.
Geometría desfavorable de los estratos. Existencia de presiones de agua sobre los estratos. Concentración desfavorable de tensiones.
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562
ROTURA POR PANDEO Se pueden diferenciar tres tipos de roturas por pandeo: Pandeo por flexión de placas continuas. Es bastante inusual. inusual Pandeo por flexión de placas fracturadas en taludes con frentes planos. El más frecuente Pandeo por flexión de placas fracturadas en taludes con frentes curvados. curvados Polos planos 2 N
Polos planos 1
Planos 2
Planos 1
Circulo máxima correspondiente al centro de concentración de polos y al plano de salud
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282 563
ROTURA POR PANDEO Análisis del pandeo por flexión de placas continuas: Se basa en la teoría de Euler para el estudio del pandeo. Carga crítica:
Pcr =
K
2
EI
l 2 p
• E= módulo de elasticidad. • I= momento de inercia del elemento respecto al eje 1 de pandeo. b d3 I = 12
• Ip= Longitud de pandeo. Se estima que es la mitad de la longitud del talud. • K constante. Normalmente en este caso se toma K=1
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564
ROTURA POR PANDEO Análisis del pandeo por flexión de placas continuas: Al trabajar en dos dimensiones se divide todo por el ancho de la placa: 2 P E d3 cr
b
=
3 l2
No se tiene en cuenta el efecto desfavorable de las presiones intersticiales. Se asume que la porción de placa sobre el punto medio de la zona sometida pandeo contribuye al proceso. No se considera el efecto estabilizador del peso de la zona inestable. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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283 565
ROTURA POR PANDEO Análisis del pandeo por flexión de placas continuas: Una vez tenido todo ello en cuenta obtenemos que: D
b
=
sen
D
r
cos
D
r
lD
tg
c
WD: peso por unidad de ancho de la porción de placa deslizante. C: cohesión a lo largo de la discontinuidad. ψr: ángulo de inclinación del talud. talud θ : ángulo de rozamiento a lo largo de la discontinuidad. ID: longitud de la porción de placa que contribuye al iniciado del pandeo. 3 l lp ID =
2
+
=
2
4
l
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566
ROTURA POR PANDEO Análisis del pandeo por flexión de placas continuas: PD
Sustituyendo se obtiene que: P
b = 0,75 l d
2
H3 =
La altura crítica es:
2,25
sen
sen
E d 2 sen3 r
cos
cos
r
r
tg
c d
r
c
tg
r
d
Para su análisis se utiliza el factor de seguridad: 2
Ed 2
2,25 FS =
+
cos sen
t
tg
+
c d
t
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284 567
ROTURA POR PANDEO Análisis del pandeo por flexión de placas continuas: El cálculo del factor de seguridad se ve facilitado por la utilización de los ábacos de Ayala: H’
H’
H’
h = 45º
H’
H’
h = 65º
h = 60º
H’
h = 35º
h = 30º
h = 40º 20
20
20
20
20
1,2 1,4 1,6
1
1,2 1,4 1,6
1 10
T
0 1
2
3
4
H’
5
6
7
8
9
10
T
0 0
10
1,2
1
10
0
20
1,2 1,4 1,6
1
h = 45º
1
2
4
3
5
6
7
8
9
T
0 0
10
1
2
4
3
5
6
7
8
9
10
T
0
10
0
1
2
4
3
h = 55º
H’
h = 50º 50
H’
5
6 7 h = 75º
8
9
10
1,2
1
1,4 1,6
1,2
1
1,4 1,6
10
1,4
1,6
10
T
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
h = 80º 80
10
T
0 0
1
2
3
4
5
1
1,2 1,4 1,6
6
7
8
9
10
h = 85º 85
20
20
20
20 1 1,2 1 1,2
1,4
1,4
1,6
1,2 1,4 1,6
1
1
1,6
1,2 1,4 1,6 1,2
1
1,2 1,4 1,6
10
10
10
10
T T
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
T
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
T
T
T
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
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568
ROTURA POR PANDEO Análisis del pandeo por flexión de placas continuas: Estos ábacos relacionan el factor de seguridad g con los parámetros H´ y τ C T =
H’ =
d
H d
+ cos
3
d
E
t
tg
2,25
Utilizando el ábaco correspondiente al ángulo del talud e introduciendo los dos valores de arriba se obtiene el factor de seguridad del talud frente a la rotura por pandeo de placas continuas. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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285 569
INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas 3. Propiedades de las rocas y de los suelos 4. Tipos de deslizamientos 5. Criterios de rotura 6. Proyección estereográfica 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña) 8. Falla no estructuralmente controlada (ciruclar, mixta, pandeo) 9. Métodos numéricos 10. Taller
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INDICE GENERAL DEL MODULO 1. Análisis de estabilidad: Introducción y método observativo 2. Factores litológicos, tipos de roca y alteración de las rocas 3. Propiedades de las rocas y de los suelos 4. Tipos de deslizamientos 5. Criterios de rotura 6. Proyección estereográfica 7. Falla estructuralmente controlada (planar, cuña) 8. Falla no estructuralmente controlada (ciruclar, mixta, pandeo) 9. Métodos numéricos 10. Taller
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METODOS NUMERICOS
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ANALISIS CON METODOS NUMERICOS Casi todos permiten analizar fallas progresivas (al contrario que los métodos de equilibrio límite). Se realizan modelaciones numéricas que permiten soluciones aproximadas a problemas imposibles de solucionar con el límite de equilibrio. Útiles en fallas sin superficie continua de cortante como en las fallas por volteo. Normalmente se realizan informáticos: Slope, Stable,….
mediante
programas
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ANALISIS CON METODOS NUMERICOS Tipos de análisis con métodos numéricos Métodos numéricos para la estabilidad de taludes (Modificado de Deangeli y Ferrero, 2000).
UTILIZACION
METODO
CARACTERISTICAS
Elementos finitos (FEM)
Se asume una malla de elementos con sus respectivos nodos y las propiedades elastoplásticas de los materiales.
Se aplica a taludes que puedan considerarse como masas continuas sin bloques.
Diferencias finitas (FDM)
Se elabora una malla con una variedad de relación esfuerzo-deformación.
Se utiliza para modelar masa rocosa con un alto grado de fracturación.
Elementos distintos o discretos (DEM)
Se d divide de e el ta talud ud e en e elementos e e tos co con sus propiedades internas y de las uniones entre los elementos que se pueden mover libremente.
Se aplica para analizar inclinación de bloques.
Elementos de borde (BEM)
Se discretizan las áreas para poder modelar la ocurrencia de agrietamientos en el talud
Se utiliza para estudiar problemas de propagación de grietas.
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ELEMENTOS FINITOS Se basa en dividir la masa de suelo en unidades discretas llamadas elementos finitos. Se conectan entre sí mediante nodos y bordes predefinidos. D 2H H
W
h
Limite
Limite
2H
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ELEMENTOS FINITOS El método más utilizado es el de la formulación de desplazamientos, cuyos resultados se expresan en forma de esfuerzos y desplazamientos a los puntos nodales. nodales La condición de falla obtenida es la de un fenómeno progresivo en donde no todos los elementos fallan simultáneamente. Es un método complejo y limitado por su complejidad a la hora de resolver problemas prácticos.
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ELEMENTOS FINITOS Necesidades a satisfacer: Mantener equilibrio de esfuerzos en cada punto: se utiliza la t í elástica teoría lá ti para describir d ibi los l esfuerzos f y deformaciones. d f i Deben satisfacerse las condicione de esfuerzos de frontera. Inconvenientes: Dificultad para definir la relación esfuerzo-deformación. Escaso conocimiento de los esfuerzos reales “in situ” necesarios para incorporar al modelo.
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ELEMENTOS FINITOS Ventajas: Permite considerar un comportamiento no lineal de los materiales en la totalidad del dominio analizado. analizado Permite modelar las secuencias de excavación incluyendo la instalación de refuerzos y sistemas de estructura de soporte. La falla es progresiva. Modelación de detalles estructurales mediante técnicas de homogeneización.
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ELEMENTOS FINITOS Ventajas: Sistema de ecuaciones elastoplásticos y de flujo. flujo
simétrico
a
excepción
de
los
Permite introducir un comportamientos con base en el tiempo. Permite el uso de formulación convencional de deformación para la mayoría de las posibilidades de carga. Desarrollo de formulaciones especiales para incluir el análisis del agua subterránea. Hay una amplia experiencia en el uso de estos softwares.
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ELEMENTOS FINITOS Desventajas: Requerimiento de tiempo y alta capacidad de memoria como consecuencia de la complejidad de las ecuaciones. ecuaciones La totalidad del volumen del dominio analizado tiene que discretizarse. Alta sofisticación de algoritmos en función del material. No es apropiado para rocas muy fracturados o suelos altamente fisurados si su distribución no es homogénea.
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DIFERENCIAS FINITAS (FLAC) Los materiales son representados por zonas para formar una malla en función de su geometría. Permite seleccionar una variedad de relaciones esfuerzo/deformación.
Permite modelación de deformaciones a gran escala y el colapso de materiales. El análisis consiste en el reequilibrio del sistema y el estudio de las condiciones de falla. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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ANALISIS POR ELEMENTOS DE BORDE (ELFEN) *En materiales discontinuos o fracturados. Ventajas: Discretización del área y no del volumen, lo que reduce los esfuerzos de procesamiento. Menores requerimientos de capacidad informática informática. Posibilidad de modelizar fracturas e interfaces entre materiales localizados donde se requiera. Mg. Miguel Llorente Isidro - Consultor Intercade
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ANALISIS POR ELEMENTOS DE BORDE (ELFEN) Desventajas: Solo se pueden considerar comportamientos en materiales elásticos, elásticos menos en las interfaces y discontinuidades. Sistemas de ecuaciones asimétricos. No permite modelar secuencias de excavación. No p permite trabajar j con g gran cantidad de juntas distribuidas de forma aleatoria. Escasa experiencia respecto a otros métodos
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292 583
MODELOS COMBINADOS (EF-EB) Se minimizan las desventajas de los métodos de elementos finitos y elementos de borde utilizando una combinación de ambos. l Discretización del terreno dentro de una determinada zona.
l l
Escasa experiencia. 2500
W
E
eis 2250 ran s Pa i ne o rt a 2000 O els n ra Pa
1750 1500
l l
Escarpe (Mayo 9 9, 1991) l
Escarpe (Abril 18, 1991) Zona de inestabilidad
s eis ton s) Or Neis ( Topografía antes 200 m del deslizamiento
Croquis de la superficie de deslizamiento
Topografía Actual
a) Marco Geológico
c) Propagación de Grietas
b)Resultado del modelo
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METODO DE ELEMENTOS DISCRETOS (O DISTINTOS) Se utilizan en taludes de roca cuyo comportamiento esta regido por el efecto de juntas y grietas. Se basa en la reformulación de la ecuación de equilibrio de cada bloque del sistema hasta que las condiciones y leyes de contacto y borde se satisfacen. satisfacen Permite la simulación de externos y fuerzas sísmicas.
factores
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293 585
METODO DE ELEMENTOS DISCRETOS (O DISTINTOS) El método está caracterizado por: • Cálculo de deformaciones finitas y rotaciones de cada bl bloque, suponiendo i d bl bloques rígidos í id o d deformables. f bl • Bloques originalmente conectados pueden separarse. • Posibilidad de desarrollo de nuevos contactos.
Etapa 1
Etapa 3
Etapa 2
Etapa 4
Etapa 5
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METODO DE ELEMENTOS DISCRETOS (O DISTINTOS) Programa UDEC El talud se divide en bloques en función del sistema de juntas o grietas.
JOB TITLE PROBLEMA 4 ROTURA TIPO a2 (vuelco)
UDEC (Version 4.00) LEGEND
Los bloques pueden ser rígidos o deformables.
16-Feb-09 20:45 cycle 55000 block pkt velocity vectors
Permite el análisis de grandes desplazamientos. Universidad de Viga Área de Geotécnia
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294 587
ANALISIS CON METODOS NUMERICOS ¿Qué método utilizar? Se pueden utilizar varios tipos de modelos, modelos pero debe escogerse con el que se tenga mayor experiencia. Con patrones de comportamiento del suelo complejo se requerirá un modelo de elementos finitos o diferencias finitas. Con materiales fracturados se recomienda utilizar modelos de elementos discretos o de elementos de borde.
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I : Análisis cinemático y de equilibrio límite II : Métodos y numéricos continuos y discontinuos III : Elementos Híbridos finitos Discretos con fractura Traslación simple o rotación
Corte C t sobre b superficies fi i basales, laterales y traseras suaves
Mecanismos de daño: Rotura de materiales y asperitas, falla progresiva.
c e e os de co complejidad p ej dad Incrementos Mecanismos de falla
Falla Planar Discontinuidad
Mecanismos de falla Falla en gradas múltiples Puente de roca intacta
Mecanismos de falla Falla profunda de bloques múltiples con corte interno Transición de frágil a dúctil
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