Análisis geomecánico en taludes carreteros en rocas riolíticas, aplicando los métodos de Bieniawski y Romana Geomechanical analysis of roadway slopes on rhyolitic rocks using Romana’s and Bieniawski methods Ernesto NÚÑEZ1, Eleazar ARREYGUE2, Carlos CHÁVEZ2, Jorge ALARCÓN2 1 Maestría en Infraestructura del Transporte en la Rama de las Vías Terrestres, Facultad de Ingeniería Civil, UMSNH 2 Profesor del Posgrado, Facultad de Ingeniería Civil, UMSNH RESUMEN: Los fenómenos de inestabilidad de taludes en las vías terrestres tienen gran repercusión dado que los daños que se producen son importantes y generan elevados costos de reparación. Además de la dificultad para ejecutar reparaciones y en algunas ocasiones cerrar las vialidades, lo que provoca malestar a los usuarios. En este estudio se analizaron dos taludes en rocas riolíticas que se localizan en la autopista México-Guadalajara en el tramo 260+000 al 262+000, observándose algunos desprendimientos de bloques de diferentes dimensiones, así como otro tipo de mecanismos (tipo cuña o volteo). El propósito del estudio fue presentar propuestas de solución a los taludes, mediante la aplicación de los métodos de Bieniawski y Romana. Posteriormente se aplicó un análisis cinemático. Esto permitió realizar el diseño adecuado para la estabilización de los taludes en estudio, proponiendo la mejor alternativa para mitigar el riesgo falla. El análisis cinemático se hizo a través de un software especializado y al final se hicieron propuestas de estabilización. Los resultados del análisis permitieron conocer las zonas más críticas (sitios con desprendimientos de bloques), dando la posibilidad de proponer mecanismos para la estabilización de acuerdo con cada caso, lo que permitirá mitigar el riesgo. ABSTRACT: The slope instability phenomena in cuts of highways have great economic impact because the damages that produce are important, generating high repair costs; making expenditures for maintenance and repair of unstable slopes be very high. Besides the difficulty to perform repairs and sometimes closing the roads, it cause discomfort to users. In this study we analyzed two cut slopes in rhyolitic rocks located in the Mexico-Guadalajara highway section form 260+000 to 262+000, it was observed some rock falls of different dimensions as well as other mechanisms (wedge or toppling slides). The purpose of the study was to determine the physical and mechanical properties of rocks, to use the information in the application of methods of Bieniawski and Romana. Subsequently a kinematic analysis was applied. This allowed the right design for the stabilization method of slopes in the study, suggesting the best alternative to mitigate risk failure. The kinematic analysis was done through specialized software and end stabilization proposals were made. The results of the analysis allowed to determine the most critical areas (rock block fall sites), giving the possibility to propose mechanisms for stabilization according to each case, this will allow mitigate risk. 1 INTRODUCCIÓN El diseño de taludes en ingeniería geológica está presente en la mayoría de las actividades constructivas o extractivas que realiza el hombre para su bienestar. No obstante, en algunas ocasiones se presentan caídos de fragmentos de roca que producen pérdidas económicas y en ocasiones pérdidas humanas, esto debido al proyecto de las obras construidas. Por tal motivo, es importante conocer las propiedades y el comportamiento físico y mecánico de la roca, con el fin de diseñar y construir con criterios ingenieriles obras temporales u obras permanentes, empleando la roca como material estructural. Por ello se requiere difusión del conocimiento para que los ingenieros constructores apliquen las herramientas necesarias para diseñar y ejecutar acciones que contribuyan a prevenir y asegurar el bienestar de los usuarios de los caminos, por ejemplo, para que la operación vehicular sea segura y eficiente. En el presente trabajo se presenta el análisis de dos taludes de roca en diferentes puntos de la autopista México-Guadalajara, con una geología en SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. Análisis geomecánico en taludes carreteros en rocas Riolíticas, aplicando el método de Romana 2 roca riolítica y tobas y taludes con alturas máximas de 15 metros. Al final del análisis se hacen propuestas para un mejoramiento y estabilización de los taludes que así lo requieran. 2 LOCALIZACIÓN DEL ÁREA EN ESTUDIO Los taludes en estudio se localizan sobre la citada autopista, en los km 260+000 y en el 262+000, como se muestra en la Figura 1. Lago de Cuitzeo Talud 262+000 Para la aplicación de métodos para los casos de estudio, se hizo a través de la clasificación geomecánica propuesta por Bieniawski, la cual considera cinco parámetros de la calidad de la roca (resistencia, RQD, espaciado y condiciones de las discontinuidades, así como condiciones hidrogeológicas) y para Romana se deben conocer orientación e inclinación de las discontinuidades y del talud, además del tipo de excavación aplicada al corte. Estos métodos permiten conocer el estado real de los taludes, que pueden identificarse como estable o inestable. Oriente A México Poniente A Gudalajara Talud 260+000 Figura 1. Ubicación de los taludes en estudio (Google earth). 3 METODOLOGIA La metodología que se empleó consistió en tres fases: la primera fue el trabajo de campo; la segunda fase fue la realización de las pruebas de laboratorio (propiedades físicas y mecánicas); y la tercera fase se refirió a la aplicación de los métodos de Bieniawski y Romana, así como se realizó el análisis cinemático. Se concluyó con un análisis detallado de resultados, con la finalidad de poder hacer propuestas de estabilización. 3.1 Trabajos de campo El trabajo de campo se hizo con una inspección detallada de cada uno de los taludes, obteniendo su longitud y altura promedio; enseguida se realizó un levantamiento de discontinuidades con una brújula Brunton; así mismo, se tomaron lecturas con un esclerómetro para conocer su resistencia; finalmente se realizó el muestreo de la roca, considerando alteradas y sanas para su análisis en laboratorio. 3.2 3.3 Clasificación geomecánica Pruebas de laboratorio En el laboratorio se realizaron las pruebas índice densidad y absorción (ASTM C-127-04) y la prueba de durabilidad se basó en la norma ASTM D-464404. Para las propiedades mecánicas, se aplicó la carga puntual de acuerdo con la norma ASTM D5731-5. 4 RESULTADOS Cabe mencionar que cada zona en estudio consistió de dos taludes de corte; el talud 1 (km 260+000) presenta dos cortes, uno ubicado al oriente del camino, el cual se denominará 1a; éste tiene una longitud de 508 m y altura promedio de 16 m; el segundo corte tiene dirección poniente y se denominará 1b, su longitud es de 308 m y altura promedio de 8 m. Para el talud 2 (km 262+000), el primer talud se ubica al norte del camino y se denominará 2a, su longitud es de 260 m y altura promedio de 9 m; el segundo se ubica al sur y se denominará 2b, su longitud es de 351 m y altura promedio de 11 m. Enseguida se descibirán los resultados que se obtuvieron de cada uno de los taludes que se analizaron. 4.1 Pruebas índice Las pruebas de densidad y absorción se realizaron para los materiales de los dos taludes, se tomaron diez fragmentos de roca por sitio y al final se promediaron. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 1. Para la prueba de durabilidad, se tomaron pequeños fragmentos de roca de cada talud y de cada tipo de material; se analizaron un promedio de 450 g por sitio; se les aplicaron tres ciclos a cada muestra. Los resultados se muestran en la Tabla 1 y en la Figura 2 se observa el equipo empleado para tal fin. Tabla 1. Resultados de las pruebas índice, para cada talud. _____________________________________________________ Parámetro Talud 1 Talud 2 1a 1b 2a 2b _____________________________________________________ Absorción (%) Riolita 3.21 4.98 4.34 3.75 Toba 9.27 7.60 14.17 17.33 Densidad (g/cm3) Riolita 2.00 2.06 2.26 2.06 Toba 1.99 2.05 1.98 1.92 Durabilidad Riolita MA EA EA MA Toba Alta Alta Alta Alta _____________________________________________________ SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. Núñez E. et al. Nota. (MA) Muy alta; (EA) Extremadamente alta. 3 calidad de la roca, por tal motivo se le considera una prueba no destructiva (Núñez Guzmán, 2014). Figura 2. Prueba de durabilidad en proceso. De acuerdo con los resultados de las pruebas índice, se puede comentar que la toba obtuvo los valores más bajos de la densidad, en cambio la riolita tiene valores más altos (Núñez Guzmán, 2014). 4.2 Pruebas mecánicas Las pruebas que se aplicaron a los dos taludes con la finalidad de conocer la resistencia de las rocas, fueron de dos tipos: in situ se utilizó el esclerómetro o martillo de Smith y en laboratorio se aplicó la prueba de carga puntual, que proporciona un índice de resistencia. La prueba del esclerómetro se hizo en campo donde se tomaron aproximadamente 50 lecturas en cada tipo de roca y en cada corte de los taludes (cuatro en total), y se eliminaron los 10 valores más altos y los 10 más bajos. Al final del proceso se promediaron los valores obtenidos, dando los resultados que se presentan en la Tabla 2. Para la prueba de carga puntual se utilizaron especímenes irregulares tal como lo marca la norma correspondiente, así mismo se aplicaron factores de corrección con el propósito de obtener valores más confiables. Para este estudio se probaron aproximadamente 30 especímenes por talud. Los resultados se muestran en la Tabla 2, y en la Figura 3 se muestra el equipo empleado. Tabla 2. Resultados de las propiedades mecánicas. _____________________________________________________ Talud 1 Talud 2 1a 1b 2a 2b _____________________________________________________ Esclerómetro (MPa) Riolita 37.0 52.0 52.0 43.0 Toba 17.5 18.0 17.0 19.0 Carga Puntual (MPa) Riolita 215.0 151.1 114.2 148.2 Toba 30.11 20.92 20.91 51.57 _____________________________________________________ Figura 3. Equipo hecho en el Laboratorio de Materiales de la UMSNH y empleado para la prueba de carga puntual. 4.3 Clasificación geomecánica El empleo de métodos para caracterizar un macizo rocoso, es muy importante, ya que permite conocer las condiciones en que se encuentra el talud en estudio. En la actualidad se conocen bastantes métodos, algunos son exclusivos para túneles, otros para taludes y pocos tienen aplicación en ambos casos. Para este caso de estudio se emplearon los métodos de Bieniawski (se puede emplear en túneles y taludes) y Romana (solo para taludes), los cuales requieren de diversos parámetros de la calidad de la roca (resultados de laboratorio y observaciones de campo). En la Figura 4 se muestra el talud 1b y en la Figura 5 se muestra el talud 2b. Figura 4. Talud 1b en este corte se tienen algunos caídos, solamente tiene malla con algunos anclajes de varilla. Parámetro La comparación de resultados de la resistencia de la roca entre el esclerómetro y la de carga puntual, demuestran que en ambas pruebas la riolita tiene una resistencia más alta. Cabe recordar que el esclerómetro proporciona valores superficiales de la Figura 5. Talud 2b, se puede apreciar que tiene un muro de gavión para contener los fragmentos de roca. El primer método que se empleó fue el RMR (Rock Mass Rating) de Bieniawski (1989), constituye un sistema de clasificación de macizos rocosos que permite a su vez relacionar índices de calidad con SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 4 Análisis geomecánico en taludes carreteros en rocas Riolíticas, aplicando el método de Romana parámetros geotécnicos del macizo rocoso (González de Vallejo et al, 2004). En el caso de estos taludes tan largos se tuvieron que agrupar en tramos que presentaran características geológicas un poco más uniformes, esto de acuerdo con las observaciones que se hicieron en campo y con la finalidad de facilitar el trabajo, recordando que lo más importante de este levantamiento son las orientaciones de las discontinuidades. Habiendo identificado bien las principales discontinuidades, se procedió a tomar la longitud, espaciado, abertura, tipo de relleno, rugosidad, presencia de aguas, etc., con la finalidad de darle la valoración que le correspondia, esto como parte de los parámetros que considera el método de clasificación. La suma de todos estos valores en el comportamiento geomécanico de un macizo rocoso se expresa por medio del índice de calidad RMR, que varía de 0 a 100. Así mismo se hizo la corrección por la orientación de las discontinuidades con respecto a la excavación que presentaba el talud (este valor se resta al valor anterior, coeficiente de 25); donde resultó ser roca de media calidad (tabla de valoración de Bieniawski). Al final del proceso se obtiene el valor numérico con el que se clasificó el macizo rocoso. Se promediaron los valores obteniéndose lo que se observa en la Tabla 3. Tabla 3. Resultados de la clasificación de Bieniawski, para los dos taludes. _____________________________________________________ Parámetros Talud 1 Talud 2 1a 1b 2a 2b _____________________________________________________ Resistencia 12 15 15 15 RQD(%) 13 17 17 17 Separación diaclasas 15 15 15 15 Estado de las discontinuidades Longitud 2 4 2 2 Abertura 0 0 0 0 Rugosidad 5 5 5 5 Relleno 2 4 2 4 Alteración 3 3 3 3 Agua Estado Gral. 15 15 10 10 Corrección del talud -25 -25 25 -25 TOTAL 42 53 44 46 _____________________________________________________ De acuerdo con lo expresado por el autor y los resultados del estudio, la calidad de la roca es media para ambos casos, con una cohesión de 2 a 3 kg/cm2 y un ángulo de rozamiento entre 25° y 35° (valores propuestos por Bieniawski, de acuerdo con la calidad de la roca). El segundo método que se utilizó fue el SMR (Slope Mass Rating) de Romana (1993); es un índice de clasificación de taludes que se obtiene a través del Índice RMR básico de Bieniawski (método anterior), sumándole un factor de ajuste que es función de la orientación de las discontinuidades (producto de tres subfactores) y sumando un factor de excavación que depende del método empleado. Estos subfactores son: el primero depende del paralelismo entre la dirección de las fisuras y del frente del talud; el segundo está en función del buzamiento de las discontinuidades; y el tercero refleja la relación entre los buzamientos de las discontinuidades y el talud. A partir del resultado del RMR y con la información recabada en campo de las diferentes discontinuidades, orientación e inclinación, se aplicó el método SRM de Romana, obteniéndose los valores numéricos que se muestran en la Tabla 4. Tabla 4. Resultados de la aplicación del método SRM de Romana, para los dos taludes. _____________________________________________________ Parámetros Talud 1 Talud 2 1a 1b 2a 2b _____________________________________________________ RMR de Bieniawski 67 78 69 71 Dirección de discontinuidades y del talud 0.40 0.40 0.85 0.85 Inclinación de discontinuidades 0.85 0.85 1.00 1.00 Relación inclinación de discontinuidades y talud -6 -6 -6 -6 Factor de ajuste método de excavación 10 10 10 10 TOTAL 75 85 77 79 _____________________________________________________ Los resultados obtenidos del método SRM de Romana, indican que los cuatro taludes son estables. El empleo de estos métodos de clasificación geomecánica para taludes, permitió conocer el estado real que guarda cada uno, observando que en general el talud dos es el que presentó mejores resultados, lo que indica que la roca está en mejores condiciones geológicamente. 4.4 Análisis cinemático La aplicación de este tipo de modelos permite analizar sistemas de fracturamiento que pueden estar formados por bloques de roca, delimitados por algun sistema tridimensional de planos que forman las discontinuidades. Estos modelos generalmente se trabajan a través de las proyecciones estereográficas, pero también se pueden emplear diagramas de rosetas o bloques diagrama; lo que permiten conocer cuándo un talud es inestable, de acuerdo con las condiciones geométricas del macizo rocoso (Wyllie y Mah, 2004). Teniendo las lecturas de las principales discontinuidades, en gabinete se empleó el software Dips, el cual permitió realizar un análisis cinemático, teniendo la posibilidad de conocer los diferentes mecanismos de movimiento de los bloques analizados. Para este estudio se hicieron aproximadamente 35 anális cinemáticos (proyecciones estereográficas) por talud; los mecanismos que se presentaron fueron del tipo planar, por vuelco, cuña y en algunos casos no se registraron movimientos. En la Figura 6 se muestra la distribucción de los mecanismos que prevalecieron, observándose que en general son SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. Núñez E. et al. pocos los desprendimientos de bloques, predominando los no movimiento (línea superior). 5 Núñez Guzmán E.A. (2014). Análisis de taludes inestables en rocas riolíticas, aplicando los métodos de Bieniawski y Romana para el tramo km 258+000 al km 262+000 de la autopista México-Guadalajara. Tesis de maestría UMSNH. p 189. Romana A. M., (1993). Geomechanics Classificatíon For Slopes: Slope Mass Rating. Comprehensive Rock Engineering. Vol 3, p 575-600. Wyllie D. y Mah Ch.W. (2004). Rock slope engineering civil and mining. Spon Press. p 431. Figura 6. Análisis cinemático aplicado a los dos taludes. 5 CONCLUSIONES La principal ventaja que tienen las clasificaciones geomecánicas es que proporcionan una información inicial de los parámetros mecánicos del macizo rocoso, a bajo costo y de forma sencilla. Los resultados deben ser interpretados con mucho criterio y con base en el conocimiento de las propiedades y del comportamiento geomecánico del macizo rocoso. Comparando los resultados de cada análisis, se deduce que la roca riolítica mostró mejores propiedades físicas y mecánicas, lo que la hace más resistente que la toba. La clasificación de Bieniawski, permitió conocer las características geomecánicas en los dos taludes estudiados, además de que es un dato a utilizar en la aplicación del SRM de Romana. De la aplicación del software Dips, se concluye que en general los taludes resultaron ser estables, presentándose algún caso aislado de bloques que podrían generar algún tipo de movimiento, por ejemplo el talud 1, se caracterizó por movimientos de cuña, en cambio el talud 2 del tipo planar y de vuelco. 6 REFERENCIAS ASTM C-127-04 Standard test method for density, relative density and absorption of coarse agregate. ASTM D-4644-04. Standard practice for preparation of rock slabs for durability. ASTM D-5731-05. Standard test method for determination of the point load strength index of rock. Bieniawski Z.T. (1989). Engineering rock mass clasifications. Wiley and Sons. González de Vallejo L.I., Ferrer M., Ortuño L., y Oteo C. (2004). Ingeniería Geológica. Editorial Pearson, Madrid. SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.