Estabilidad Talud Carretera El Cobre

Estabilidad de talud en el Km. 34.2 de la carretera El Cobre Integrantes: Pilar Meneses T. Paula Osssadón A.

Mapa Sexta Región

Distribución de Trabajo

Carretera El Cobre

Introducción 



El presente informe da a conocer el avance realizado en el trabajo de investigación de mecánica de suelos 2, donde el tema escogido es “estabilidad de talud en el Km. 34.2 de la carretera El Cobre”,  perteneciente a Codelco Chile División El Teniente. De acuerdo con los antecedentes, el deslizamiento se encontraría asociado a un importante evento de  precipitaciones ocurrido días anteriores.

Inestabilidad 

En la realización de un proyecto que contemple estructuras de tierra o bien corrección de fallas del terreno mismo, deben considerarse cualquier factor que produzca a corto o largo plazo una disminución de la resistencia al corte o un aumento de los esfuerzos del suelo , ya que estos tienen un rol importante a la hora de desestabilizar el suelo, tales factores tienen estrecha relación con la  presencia de agua, la eventual acción sísmica, geometría, tiempo, etc

Los factores mas importantes a tener en consideración son: . Agua . Tiempo . Acción sísmica . Geometría del lugar

Agua 

La inestabilidad del terreno depende de la  presencia del agua en el subsuelo. Cuando la masa rocosa está seca, la fricción a lo largo de las discontinuidades es alta y la masa se hace inestable, Cuando existen gradientes hidráulicos el agua se filtra a través de poros, fisuras, diaclasas, fallas y cavidades, la  presencia de agua puede provocar acciones hidráulicas, mecánicas, físicas y químicas en el interior de las rocas.

Agua 

El agua subterránea: Se encuentra normalmente a presión, ésta aumenta junto con la profundidad. La variación de ésta, origina cambios en las tensiones del material, afectando también, las propiedades de rotura o deformación del suelo. Cuando se estudia la filtración de agua a través de suelos rocosos con fallas importantes, debe considerarse la importancia relativa de las zonas de paso localizadas.  Normalmente lo que ocurre con estas fallas es que son muy  permeables por una de sus caras y bastante impermeables por la otra, por esto es que deben considerarse estas fallas como superficies límites de filtración. Ya que los movimientos en una masa de suelo, ocurrirá cuando la resistencia al esfuerzo cortante de éste sea excedida por otros esfuerzos cortantes  producidos en alguna superficie continua.

Agua Agua superficial, producto de precipitaciones: En caso de lluvias continuas el nivel freático sube y aparece una fuerza que actúa en sentido opuesto a las discontinuidades. El proceso  puede demorar cientos de años o sólo unos cuantos días, como en este estudio

Tiempo 

Los suelos rocosos, se ven alterados con el tiempo, especialmente las zonas próximas a la corteza terrestre. Esto se debe a la degradación química en  presencia de aire, agua u otros agentes, o a la disolución de algunos elementos (componentes) minerales. Esta alteración se acelera normalmente con la abertura de micro fisuras que multiplican la superficie expuesta a la meteorización y al paso de agua. Las variaciones de nivel de la capa freática también contribuyen notablemente a dicha alteración.

Acción Sísmica Modelos a considerar: . Fuerzas estáticas que dan origen al empuje activo sísmico, generando presión activa,  produciendo en ese minuto resistencia al corte máxima Fh = W *Kh Fv = W*Kv

 







Kh y Kv, pueden determinarse mediante: . Fórmulas de atenuación (Kh = máx aceleración hz. / aceleración de gravedad). . Estudios de sismos en Chile ( en base a la experiencia). . Nch 433 (Z1, Z2, Z3, Z1 asegura sismos de menor intensidad Aceleración efectiva = 0.4g бs = Cr*γnat*H*Ao/g, Cr = 0.45 suelos duros, densos, бs = presión sísmica uniformemente repartida). . Análisis de riesgo sísmico ( Cual será el máximo terremoto que puede afectar a una determinada región en un determinado tiempo).

Geometría  No menos importante que la presencia de agua dentro de la masa de suelo, ya que el talud con  berma permanente (el cual permitió el paso de un camino), que se implementó en esta ocasión no fue suficiente para evitar el deslizamiento, quizás pudo evitarse este deslizamiento con la implementación de un muro bajo el talud , de modo de evitar que el agua de las cunetas erosionaran y provocaran el colapso, o bien un contrafoso de otras dimensiones, o con un adecuado sellado de las grietas, o estabilizando la superficie del talud con morteros de cemento, materia vegetal, asfalto etc.

Análisis del estudio 

Diaclasas, corresponden a fracturas sin desplazamiento transversal detectable. Son las fracturas más frecuentes en todos los tipos de rocas. En la superficie son más frecuentes como en altas  profundidades. Tienen una extensión de milímetros, centímetros hasta pocos metros. Normalmente existen en una masa rocosa grupos de diaclasas y/o sistemas de diaclasas. Los grupos de diaclasas  son estructuras  paralelas o subparalelas. Los sistemas de diaclasas se cortan entre sí en ángulos definidos y tienen una cierta simetría. Algunas diaclasas están rellenas con calcita u otros minerales.







La presencia de diaclasas en la zona afectada, son  protagonistas en el origen del colapso, las cuales multiplican la superficie expuesta a la meteorización y al paso de agua. La disposición de las familias de diaclasas principales de los macizos rocosos conforman bloques estables, pero la alta frecuencia de fracturas en algunos sectores tiende a desestabilizar superficialmente, fragmentos conformados por las diaclasas más”envejecidas”. Es por eso que los cortes presentan “chineo”  o derrame de fragmentos de roca susceptibles de caer a la berma y a la calzada.



El concepto de bloque de deslizamiento sobre una superficie inclinada es aplicable a rocas duras, como es el caso con c=0, que contienen estructuras de estratificación. La masa  permanece estable incrementando los ángulos de echado (θ) hasta alcanzar (Ø), el ángulo de fricción, en donde se producirá el deslizamiento debido a su peso propio.

Desarrollo del análisis en perspectiva 



La altura de la napa freática se determino considerando que se observó la presencia de agua en el sector inferior del deslizamiento. En base a esta observación, se asumió que las fracturas se encuentran saturadas de agua en el tercio inferior de su desarrollo dentro del talud. De acuerdo a la metodología descrita, las características de resistencia al corte fueron determinadas por retro cálculo (FS=1). De aquí se obtuvo valores de cohesión y fricción correspondientes a c=0 ton/m2 y Ø= 34 . La geometría de la situación descrita se presenta en las siguientes figuras 1, 2. °

Figura 1

Figura 2

Desarrollo del análisis 



Posteriormente, se redujo la pendiente general del talud hasta obtener un factor de seguridad igual a 1.5. La máxima pendiente que satisface dicha condición de estabilidad corresponde a 41º. A modo de realizar un análisis de sensibilidad de la solución descrita, se incremento la altura de agua en las grietas hasta lograr un factor de seguridad igual a 1 en la nueva configuración propuesta (talud con  pendiente de 41º). En este escenario, se podría admitir un 100% de saturación en las fracturas. La geometría de la situación estabilizada se presenta en las siguiente Figuras 3 y 4.

Figura3

Figura4



En el km 34.2, los taludes de corte en roca existentes  presentaban en general un fracturamiento intenso, sin cubierta vegetal, con pendientes en muchos casos mayores a 60º. Por su parte, los taludes de corte desarrollados en suelos gravo arcillo limosos que  presentan abundancia de bolones y fragmentos de rocas aislados, potencialmente pueden ser erosionados por aguas de escurrimiento superficial, lo que puede dejar a dichos elementos en una condición inestable que pudiera significar su caída sobre la  berma o la calzada.



La información obtenida con el retrocálculo (determinación de los parámetros de resistencia al corte de las fracturas involucradas), permitió construir un modelo computacional de bloques de roca donde la geometría de la cuña que efectivamente se deslizó. La confección del modelo requirió de la información entregada referente a la orientación e inclinación de los sistemas de fracturamiento más  persistentes, grietas de tracción, geometría de los taludes expuestos, ubicación de napa freática y  propiedades de resistencia el corte en las fracturas.

En síntesis, lo ocurrido en el talud en estudio fue: Disminución de la fricción interna del suelo  por la saturación de los finos presentes en el suelo. Aumento del peso de la masa de suelo, debido a la presencia de agua. Generación de presión hidrostática. Debilitamiento de la superficie de corte. Colapso. 



  

Taludes de Corte. 

Aunque los taludes inspeccionados exhiben un alto grado de fracturación, la disposición de las familias de diaclasas y estratificación, permiten obtener una  buena estabilidad global (Factor de Seguridad estático FSe > 1.5 y Factor de Seguridad sísmico FSs > 1.3  para un coeficiente sísmico Cs = 0.20). No obstante lo anterior, el alto grado de fracturación en algunos  puntos del trazado contribuye a generar caídas de  bolones y bloques de roca periódicamente gatillados  por sismos y lluvias intensas como la ocurrida para el fenómeno en estudio.

Conclusión 

Taludes de corte se desarrollan a través de suelos gravo arcillo limosos con abundantes  bolones y bloques de roca, de tamaño hasta 3,0 m, aislados y dispersos, los cuales debido a procesos erosivos de aguas superficiales, quedan en situación inestable , lo que genera el riesgo potencial de su caída sobre la berma o la calzada.



las acciones que debe tomar CODELCO para instalar elementos que mitiguen los riesgos sobre el tránsito vehicular, son absolutamente necesarios, siendo una solución técnicamente eficaz la colocación de mallas de protección en los taludes en la zona afectada y en otras  posibles para evitar que ocurra nuevamente el suceso en cuestión.



Los resultados permiten inferir que la  presencia de agua en las fracturas tiene incidencia en la estabilidad de los taludes de roca ubicados en el sector del deslizamiento. Por esta razón, se propone una reducción de la  pendiente general de los taludes del sector a un máximo de 41° grados. Esta solución implicaría la remoción de 122.000 m3 de roca.



Dicha solución debe se comparada con alternativas técnicamente factibles y económicamente similares, como es la habilitación de un by- pass definitivo para el trazado de la Carretera El Cobre.



El cambio de trazado puede optimizarse de manera de cumplir con las normas de vialidad y de reducir los volúmenes y los cortes de los movimientos de tierra necesarios. Para estos  propósitos es conveniente remover la rampa de emergencia y morro de roca ubicados en el costado sur de la plataforma actual.