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Recomendaciones generales para la estabilidad de taludes en roca muy fracturada o tectonizada

Talud Roca
A sunny scenery of the Zion National Park located in Utah, USA
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Introducción:

En este artículo se pretende reflexionar e indicar una serie de recomendaciones generales para llevar a cabo el análisis de estabilidad de taludes, en proyectos con un terreno integrado por roca muy fracturada o tectonizada.

La necesidad e intensidad del análisis de estabilidad de los taludes en roca de un proyecto, vendrá condicionada por la orografía de la zona y por las características generales de los materiales rocosos existentes.

Para definir el material rocoso existente en una determinada zona, quizás en una fase inicial o de planificación, podría ser interesante realizar un Estudio Previo del Terreno (EPT) que nos permita recopilar suficientes datos e información sobre el tipo de roca existente en la zona (ver los artículos: “Contenido de un Estudio Previo del Terreno (EPT)” ; “¿Utilidad de los estudios previos del terreno (EPT)?” y “Estudio previo del terreno (EPT)” ).

Para que el lector pueda hacerse una idea sobre el tipo de material rocoso que estamos considerando, se ha tomado como modelo un macizo rocoso formado por pizarras y esquistos muy tectonizados y meteorizados, con vénulas y diques de cuarzo, del Paleozoico (ver materiales de la siguiente fotografía).

Fotografía nº 1.

Quizás convendría hacer un inciso y explicar brevemente como se clasifican los materiales rocosos, desde un punto de vista geotécnico, haciendo mención a una de las clasificaciones más útiles en mecánica de rocas para su caracterización, como es la Clasificación Geomecánica RMR (Bieniawski, 1989).

Las masas rocosas aparecen en la mayoría de los casos afectadas por discontinuidades o superficies de debilidad que separan bloques de matriz rocosa o “roca intacta” constituyendo en conjunto los macizos rocosos.

El estudio de la estructura geológica y las discontinuidades es un aspecto fundamental en mecánica de rocas: los planos de debilidad preexistentes controlan los procesos de deformación y rotura en los macizos a cotas superficiales, que es donde se realizan la mayoría de las obras de ingeniería.

Las superficies o planos de discontinuidad de los macizos rocosos condicionan de forma definitiva su comportamiento resistente, deformacional o hidráulico. Su reconocimiento, descripción y caracterización es fundamental para el estudio del comportamiento mecánico e hidrogeológico del macizo rocoso.

Los macizos rocosos, como medios discontinuos, presentan un comportamiento geomecánico complejo que, de una forma simplificada, puede ser estudiado y categorizado en función de su aptitud para distintas aplicaciones. Con este objetivo surgieron las clasificaciones geomecánicas.

El sistema de clasificación Rock Mass Rating o sistema RMR fue desarrollado por Z.T. Bieniawski durante los años 1972-73, y ha sido modificado en 1976 y 1979, en base a más de 300 casos reales de túneles, cavernas, taludes y cimentaciones. Actualmente se usa la edición de 1989, que coincide sustancialmente con la de 1979.

Para determinar el índice RMR de calidad de la roca se hace uso de los seis parámetros del terreno siguientes:

• La resistencia a compresión simple del material
• El RQD (Rock Quality Designation)
• El espaciamiento de las discontinuidades
• El estado de las discontinuidades
• La presencia de agua
• La orientación de las discontinuidades

El RMR se obtiene como suma de unas puntuaciones que corresponden a los valores de cada uno de los seis parámetros enumerados (ver tablas siguientes). El valor del RMR oscila entre 0 y 100, y es mayor cuanto mejor es la calidad de la roca. Bieniawski distingue cinco tipos o clases de roca según el valor del RMR:

CLASE I: RMR > 80, Roca muy buena.
CLASE II: 80 < RMR < 60, Roca buena.
CLASE III: 60 < RMR < 40, Roca media.
CLASE IV: 40 < RMR < 20, Roca mala.
CLASE V: RMR < 20, Roca muy mala.

En las siguientes imágenes se muestran algunos ejemplos de clases de macizos rocosos según la Clasificación Geomecánica RMR (Bieniawski, 1989):

Ejemplos de clases de macizos rocosos (“Ingeniería Geológica” – Luis I. González Vallejo).

Una vez aclarados algunos conceptos de mecánica de rocas y definido el tipo de material rocoso que estamos analizando, hay que destacar que los factores principales que intervienen en la estabilidad o inestabilidad de un talud en roca son:

Factores principales:

• Altura e inclinación del talud.
• Grado de fracturación de la roca.
• Orientación de la cara del talud.
• Condiciones del agua subterránea.

La altura e inclinación del talud son los parámetros geométricos que definen un determinado talud, y son los aspectos que se deberán definir en un estudio de Estabilidad de Taludes para asegurar un correcto funcionamiento del mismo, o lo que es lo mismo, que la probabilidad de rotura del talud sea lo más reducida posible. Lógicamente, el riesgo o probabilidad de rotura de un talud será mayor cuanto mayor sea la altura y la inclinación del talud y, asimismo, una menor altura e inclinación del talud afecta a los aspectos económicos del proyecto, llevando consigo un notable incremento en el movimiento de tierras a ejecutar y reduciéndose el espacio disponible para la ejecución del proyecto.

El grado de fracturación de la roca es la cuantificación del número de discontinuidades existentes (planos de esquistosidad, diaclasas, juntas, fracturas, etc.) en la roca, así como su orientación, frecuencia de aparición de cada una de ellas, su continuidad en el espacio, su apertura, la morfología que presentan, su rugosidad, la posible existencia de rellenos en las mismas, etc., en definitiva se trata de “evaluar” su mayor o menor capacidad de resistencia a los movimientos, o la mayor o menor probabilidad de que se produzcan roturas o deslizamientos a través de los planos que conforman cada una de las familias de discontinuidades existentes.

La orientación de la cara del talud, junto con el grado de fracturación de la roca, van a definir desde un punto de vista de geometría espacial, la problemática concreta de un determinado talud, y la interacción de cada uno de los planos de discontinuidad existentes con la orientación de la cara del talud que se pretende realizar en cada caso.

Las condiciones del agua subterránea deben evaluarse mediante una predicción de los niveles que pueda alcanzar el agua como consecuencia de la lluvia y otros factores (fugas de redes de abastecimiento o saneamiento). En este sentido, los taludes se deberán diseñar para las condiciones de agua subterránea más desfavorables o críticas, que podrían ser ocasionadas por la rotura de la red de alcantarillado, taponamiento de los filtros de drenaje, lluvia excepcionalmente fuerte, etc., con el consecuente llenado de las grietas de tensión o de las fisuras abiertas.

De la interacción entre este conjunto de factores, va a depender que el riesgo de que ocurran roturas y/o deslizamientos de masas rocosas, caídas de bloques, etc., durante la vida útil de las construcciones previstas, tenga una mayor o menor probabilidad de ocurrencia, así como las posibles afecciones a las edificaciones que se pretenden realizar.

Este riesgo de que se produzcan roturas es lo que en Estabilidad de Taludes se cuantifica con el denominado Factor de Seguridad de Rotura o Deslizamiento de un Talud, y que indica la mayor probabilidad (factor de seguridad más bajo) o menor probabilidad (factor de seguridad más alto) de que se produzcan fenómenos de inestabilidad en los taludes a ejecutar.

En nuestro ejemplo, los materiales que hemos considerado corresponden a pizarras y esquistos muy tectonizados y meteorizados, con vénulas y diques de cuarzo, del Paleozoico (ver fotografías).

En la fotografía nº 1 se aprecian, al menos, tres familias preferentes de discontinuidades, con una familia dominante correspondiente a los planos de “pizarrosidad” o “esquistosidad” (S0). No obstante, como se aprecia en la fotografía nº 2, debido a la fuerte tectonización existente en la zona, la orientación de las principales familias de discontinuidades puede sufrir variaciones de unas zonas a otras debido a la existencia de discontinuidades singulares (fallas, plegamientos, diques, etc.).

Fotografía nº 2:

En líneas generales, para taludes con alturas inferiores a 5 m (sin refuerzo o sostenimiento), no se recomienda sobrepasar ángulos de inclinación de talud del orden de 1H/2V. No obstante, en función de la orientación de la cara del talud, será necesario estudiar de forma particular cada uno de los taludes que se pretendan realizar y, quizás, sea necesario implementar medidas correctoras para asegurar la estabilidad de los taludes (bulonado perpendicular a los planos de esquistosidad, gunitado de la cara del talud, mallas protectoras sobre la cara del talud, etc.).

Por otro lado, en taludes con orientaciones perpendiculares a la dirección de buzamiento de la “pizarrosidad” o “esquistosidad” (plano de debilidad principal, S0), que sería la situación más desfavorable, sería recomendable el diseño y ejecución de Muros de Contención sobre la cara del talud para evitar el desprendimiento o deslizamiento de masas de roca de cierta entidad.

Medidas de protección superficial:

En lo que se refiere a las medidas correctoras que se pueden implementar sobre la cara del talud, con el objeto de incrementar su seguridad frente a los procesos de rotura o deslizamiento susceptibles de producirse en cada caso, a continuación, se indican algunas de las más usuales:

Medidas correctoras más usuales:

• Instalación de cables y mallas.
• Gunitado de taludes.
• Bulones y anclajes.

Instalación de cables y mallas: se utilizan para estabilizar zonas de talud que se encuentren muy fracturadas, evitando la caída de bloques de dimensiones no excesivas y evitar el “chineo” en caso de rocas muy fracturadas. Consiste en la colocación de una malla metálica, preferentemente de doble o triple torsión, a la que se superpone una serie de cables formando una retícula, anclados a la roca en sus extremos y tensionados. Dependiendo del tamaño de bloque o fragmentos de roca que sean más susceptibles de rotura, se variará su densidad (separación entre nudos de malla) y su rigidez.
En general, debido a su limitada capacidad de sujeción de grandes masas de roca, se suelen utilizar cuando la orientación de las familias principales de discontinuidades con respecto a la orientación de la cara del talud, no presentan condiciones de inestabilidad muy críticas.

Gunitado de taludes: se trata de cubrir de gunita (mortero de cemento, agua y árido de hasta 8 mm) la superficie del talud. Si se mezclan áridos de mayor tamaño se denomina hormigón proyectado. Normalmente se proyectan varias capas sobre el talud, con un espesor total de 5 a 8 cm. La gunita puede reforzarse mediante la fijación de una malla metálica al talud sobre la que se proyecta la mezcla. Asimismo, esta medida suele ir asociada a la colocación de bulones o anclajes.

Bulones y anclajes: instalación de bulones para fijación de los bloques de roca. Cuando los bloques a estabilizar son de grandes dimensiones, su fijación debe realizarse mediante anclajes. Los Bulones y Anclajes consisten en la introducción de barras o cables de acero, siguiendo un patrón o malla en toda la cara del talud, que producen un efecto de “claveteo” de la cara del talud hasta una profundidad que dependerá de la masa de roca que se pretenda estabilizar. La instalación de los bulones o anclajes será lo más perpendicular posible a los planos de mayor debilidad del macizo rocoso.

Medidas adicionales:

Además de las consideraciones indicadas anteriormente, deben de tenerse en cuenta algunos aspectos generales que se deben implementar en un proyecto de estabilidad de taludes, como son:

Aspectos generales:

• Evitar procesos de erosión en la cara del talud (hidrosiembras, revegetación, etc.).
• Drenaje de las aguas de escorrentía y subterráneas.
• Ejecución de cunetas de guarda al pie del talud.

Además de garantizar la estabilidad de los taludes, será conveniente realizar una serie de actuaciones para asegurar su correcto funcionamiento durante la vida útil del proyecto, que están relacionados con medidas para evitar la erosión o meteorización de la cara del talud.

Así, cuando la cara del talud quede expuesta a los agentes atmosféricos, es conveniente llevar a cabo algunas medidas de protección como podrían ser, siempre que sea factible, la ejecución de hidrosiembras o revegetaciones en la superficie expuesta del talud.

Otro aspecto al que deberá prestarse especial atención, es la ejecución de un adecuado sistema de drenaje de las aguas subterráneas mediante drenes (drenes horizontales) y de las aguas superficiales en la zona de coronación del talud, mediante “canalizaciones” que recojan las aguas de escorrentía y las conduzcan a la red de saneamiento.

También, en caso de ser preciso, se deberán ejecutar cunetas de guarda al pie de los taludes, con el fin de recoger el “chineo” o la caída de pequeños fragmentos de roca.

Taludes de mayor altura. Elementos estructurales resistentes:

Para alturas de talud superiores a los 5 m, debido al fuerte grado de fracturación y tectonización del material rocoso, a la existencia de zonas fuertemente milonitizadas, y a la probable variabilidad en la orientación de las discontinuidades principales entre las distintas zonas (ver fotografías 3, 4, 5 y 6) sería recomendable prever en el proyecto la ejecución de Muros de Contención para evitar el movimiento o deslizamiento de masas de terreno de cierta envergadura, junto con la colocación de una malla de anclajes sobre la superficie del muro de contención, de forma que se garantice la estabilidad del terreno.

Fotografía nº 3
Fotografía nº 4
Fotografía nº 5
Fotografía nº 6

A continuación, se indican una serie de elementos estructurales resistentes, los cuales, bien individualmente o por medio de combinaciones de varios de ellos, son habitualmente utilizados para la estabilización de taludes:

Construcción de muros:
Se utilizan cuando el terreno en el pie del talud es resistente y la inestabilidad no es profunda. Se construyen a pie de talud como elementos resistentes, de contención o sostenimiento, siendo efectivos frente a inestabilidades superficiales. Presentan el inconveniente de que hay que excavar el pie del talud para su construcción, lo que favorece la inestabilidad, y no evitan posibles deslizamientos a favor de superficies de rotura por encima o por debajo del muro.

Existen diferentes tipos de muros, adecuados para diferentes casos de estabilización, según se requieran muros flexibles o rígidos, se requiera detener un movimiento o aportar una resistencia adicional (Muros de Gaviones, Muros Pantalla, Muros de Tierra Armada, etc.).

Los muros anclados son muros reforzados con anclajes para mejorar la resistencia al vuelco y al deslizamiento de la estructura.

Escalonamiento del talud:
Se trata de construir bancos y bermas para evitar que se produzcan roturas superficiales que afecten a todo el frente del talud, al cortarse los posibles planos de rotura.

Pantallas de pilotes (micropilotes):
Son alineaciones de estos elementos distanciados entre sí, de tal forma que construyan una estructura relativamente continua, atravesando la zona deslizada o susceptible de deslizar, y empotrándose en la zona estable. De forma semejante se pueden utilizar pantallas de micropilotes que atraviesan la zona inestable y se introducen en la zona estable.

Anclajes:
Los anclajes son elementos formados por cables o barras de acero que se anclan a zonas estables del macizo, trabajan a tracción y proporcionan una fuerza contraria al movimiento. Los anclajes se emplean frecuentemente en taludes rocosos fracturados como medida muy efectiva para estabilizar masas o boques deslizantes. Las cabezas de los anclajes pueden unirse en superficie con vigas de hormigón, de forma que trabajan solidariamente distribuyendo las fuerzas estabilizadoras más uniformemente sobre el talud.

En el caso de suelos o macizos rocosos de baja resistencia afectados por la inestabilidad general, se suele ejecutar un muro armado en el talud, en el que se colocan las cabezas de los anclajes, con lo que se consigue repartir las fuerzas que transmiten estos elementos al terreno. En ocasiones el muro se sustituye por una pantalla de pilotes (micropilotes).

Bulones:
Los bulones son barras de acero que se introducen en el talud, y se pueden considerar como anclajes pasivos de baja capacidad. Se colocan en perforaciones realizadas en la roca y rellenas de cemento o resina; su carga admisible suele oscilar entre 5 y 15 t por bulón.

Modelos de rotura:

Un Estudio de Estabilidad de Taludes se basará en las mediciones de direcciones y ángulos de buzamiento de las diferentes familias de juntas o discontinuidades que aparecen en el macizo rocoso, las cuales, una vez agrupadas en conjuntos principales, serán analizadas (generalmente mediante programas informáticos creados para esta finalidad) con el objeto de obtener una geometría del talud con un factor de seguridad suficiente para garantizar su estabilidad y correcto funcionamiento durante la vida útil de las construcciones proyectadas.

Los diferentes tipos de roturas están condicionados por el grado de fracturación del macizo rocoso y por la orientación y distribución de las discontinuidades con respecto al talud, quedando la estabilidad definida por los parámetros resistentes de las discontinuidades y de la matriz rocosa.

En macizos rocosos duros o resistentes, las discontinuidades determinan la situación de los planos de rotura. En macizos formados por rocas blandas poco competentes, la matriz rocosa también juega un papel importante en la generación de estos planos y en el mecanismo de rotura.
Los modelos de rotura más frecuentes son: rotura plana, en cuña, por vuelco, por pandeo y curva.

Rotura plana:
Se produce a favor de una superficie preexistente, que puede ser la estratificación, una junta tectónica, una falla, etc. La condición básica es la presencia de discontinuidades buzando a favor del talud y con su misma dirección, cumpliéndose la condición de que la discontinuidad debe estar descalzada por el talud y su buzamiento debe ser mayor que su ángulo de rozamiento interno. En taludes excavados paralelos a la estratificación, pueden tener lugar roturas planas de deslizamiento de los estratos; este tipo de rotura es típica en macizos lutíticos o pizarrosos, generándose los planos de rotura a favor de la esquistosidad.

Rotura en cuña:
Corresponde al deslizamiento de un bloque en forma de cuña, formado por dos planos de discontinuidad, a favor de su línea de intersección. Este tipo de rotura suele presentarse en macizos con varias familias de discontinuidades, cuya orientación, espaciado y continuidad determina la forma y el volumen de la cuña.

Rotura por vuelco:
Se produce en taludes de macizos rocosos donde los estratos presentan buzamiento contrario a la inclinación del talud y dirección paralela o sub-paralela al mismo. Este tipo de rotura implica un movimiento de rotación de los bloques, y la estabilidad de los mismos no está únicamente condicionada por su resistencia al deslizamiento.

Rotura por pandeo:
Este tipo de rotura se produce a favor de planos de estratificación paralelos al talud, con buzamiento mayor que el ángulo de rozamiento interno. La rotura puede ocurrir con o sin flexión del estrato; la condición necesaria es que los estratos sean suficientemente esbeltos, en relación con la altura del talud, para poder pandear.

Rotura curva:
La rotura curva puede ocurrir en macizos rocosos blandos poco competentes y en macizos muy alterados o intensamente fracturados, que presentan un comportamiento isótropo y donde los planos de discontinuidad no controlan el comportamiento mecánico; en este caso el macizo se comporta como un suelo. No obstante, la existencia de zonas singulares de debilidad y de grandes planos de discontinuidad en este tipo de macizos, pueden condicionar modelos de rotura con otras tipologías.
Para el análisis de esta tipología de rotura en macizos isótropos, muy alterados o intensamente fracturados y de baja resistencia, pueden utilizarse los métodos para rotura circular en suelo.

Medidas de sostenimiento:

Las medidas de sostenimiento a aplicar a los taludes, se agrupan en 6 clases diferentes, en función del valor de índice SMR (se obtiene del índice RMR, definiéndose unos factores de ajuste por orientación de las discontinuidades y por el método de excavación):

SMR > 65: sin sostenimiento (saneo).
70 > SMR > 45: protección (zanjas de pie; vallas de pie o de talud; redes sobre la superficie del talud).
75 > SMR > 30: refuerzo (bulones; anclajes).
60 > SMR > 20: hormigón (gunita, hormigón de relleno, contrafuertes y/o vigas, muros de pie).
40 > SMR > 10: drenaje (superficial; profundo).
30 > SMR > 10: re-excavación (tendido, muros de contención).

En nuestro ejemplo, para la estabilización de taludes de gran envergadura (> 5 m de altura) sobre los materiales rocosos definidos (pizarras y esquistos muy tectonizados y meteorizados, con vénulas y diques de cuarzo, del Paleozoico), podría ser aconsejable realizar una pantalla anclada de micropilotes en la parte inferior del talud. Además, si la altura del talud lo aconseja, en su parte superior podría ser recomendable llevar a cabo un gunitado, con malla de refuerzo, sobre la cara del talud, y ejecutar anclajes arriostrados si se considera necesario.

Siguiendo con nuestro, debido a la tectonización del sustrato rocoso, existen fracturas de orden mayor que en su momento provocaron un rejuego o basculamiento en diferentes “bloques” de terreno; podría ocurrir que los datos de orientaciones de las discontinuidades tomadas en una zona concreta, no se mantengan inalteradas en todo el área, sino que en ciertos intervalos de distancia, los valores que pudieran obtenerse podrían reflejar diferencias muy significativas entre las orientaciones de las diferentes familias principales de discontinuidades.

En definitiva, en estos casos extremos, será necesario incrementar el número de Estaciones Geomecánicas en las que tomar datos de orientaciones de discontinuidades y poder concluir si, las citadas orientaciones se mantienen más o menos similares a lo largo de toda la zona o, como se ha indicado anteriormente, sufren grandes variaciones a lo largo de toda el área de estudio.

Parámetros de la matriz rocosa y del macizo rocoso:

Finalmente, con el conocimiento que se obtenga al definir el material rocoso de una zona de estudio, es conveniente estimar una serie de parámetros geotécnicos que permitan una mejor definición y caracterización.

En este apartado se indican una serie de valores medios recopilados de la bibliografía existente, de las propiedades mecánicas de los materiales definidos en nuestro ejemplo (pizarras y esquistos muy tectonizados y meteorizados, con vénulas y diques de cuarzo, del Paleozoico):

• Peso específico: 2.5 – 2.7 t/m3
• Porosidad: 0.1 – 1 %
• Permeabilidad de matriz rocosa sana: 10-11 a 10-13 m/s.
• Permeabilidad de macizos rocosos fracturados y/o alterados: 10-4 a 10-6 m/s.
• Resistencia a compresión de matriz rocosa sana: 400 – 1500 kp/cm2.
• Resistencia a tracción de matriz rocosa sana: 70 – 200 kp/cm2.
• Velocidad de propagación de las ondas Vp (m/s): 3.500 – 5.000
• Pizarras: qu = 250 – 500 k/cm2; Clasificación ISRM: Moderadamente dura. Clasificación de Bieniawski (1973): Baja.
• Pizarras (roca intacta): cohesión: 100 – 500 kp/cm2; ángulo de rozamiento básico: 40-55º
• Parámetros resistentes de discontinuidades con rellenos (resistencia de pico): pizarras alteradas y laminadas: 0.5 kp/cm2 de cohesión y 33º de ángulo de rozamiento.
• Cohesión y rozamiento del macizo rocoso según su calidad: RMR = 20 – 40 (Calidad Mala); cohesión: 1 – 2 kp/cm2; ángulo de rozamiento interno: 15 – 25º.
• Módulo de elasticidad estático (E): 0.5 – 3.0 kp/cm2 x 105 (pizarra) y 0.1 – 2.0 kp/cm2 x 105 (micaesquisto) y 2.0 kp/cm2 x 105 (esquisto).
• Coeficiente de Poisson: 0.01 – 0.31 (valor medio: 0.12) para esquisto.

Juan Pablo Guzmán Franco

Tfno.: 034 630 92 76 50

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