A2ARRE_2

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.