Estabilidad De Taludes

SE COMPRENDE BAJO EL NOMBRE GENERICO DE TALUD A CUALQUIER SUPERFICIE INCLINADA RESPECTO A LA HORIZONTAL QUE HAYAN DE ADOPTAR PERMANENTEMENTE LAS ESTRUCTURAS DE TIERRA O ROCA, BIEN SEA EN FORMA NATURAL O COMO CONSECUENCIA DE LA INTERVENCION HUMANA EN UNA OBRA DE INGENIERIA. LOS TALUDES SE DIVIDEN EN NATURALES (LADERAS) O ARTIFICIALES (CORTES Y TERRAPLENES)

Las obras de infraestructura lineal (carreteras y ferrocarriles), canales, conducciones, explotaciones mineras, y en general cualquier construcción que requiera una superficie plana en una zona de pendiente, o alcanzar una profundidad determinada por debajo de la superficie, precisan la excavación de taludes (desmontes si dan lugar a un solo talud y trincheras si la excavación presenta un talud a cada lado).

En el talud o ladera se definen los siguientes elementos constitutivos: 1. Altura Es la distancia vertical entre el pie y la cabeza, la cual se presenta claramente definida en taludes artificiales pero es complicada de cuantificar en las laderas debido a que el pie y la cabeza no son accidentes topográficos bien marcados.

2. Pie o pata Corresponde al sitio de cambio brusco de pendiente en la parte inferior. 3. Cabeza, escarpe o cresta Se refiere al sitio de cambio brusco de pendiente en la parte superior.

4. Altura de nivel freático Distancia vertical desde el pie del talud o ladera hasta el nivel de agua medida debajo de la cabeza. 5. Pendiente Es la medida de la inclinación del talud o ladera. Puede medirse en grados, en porcentaje.

El diseño de taludes es uno de los aspectos más importantes de la ingeniería geológica, pues está presente en la mayoría de las actividades constructivas o extractivas.

Los taludes permanentes para la construcción de infraestructuras o con fines de edificación se diseñan para ser estables a largo plazo, precisando medidas de estabilización complementarias cuando no sea posible realizar las excavaciones con las alturas y ángulos requeridos, por motivos económicos o de otro tipo.

En minería el diseño de los taludes depende de

la disposición y profundidad del yacimiento. Por lo general en yacimientos minerales no metálicos, dispuestos en capas horizontales o

inclinadas, los taludes tienen carácter temporal y se proyectan para permanecer estables a corto o medio plazo (meses o años), ya que tras la extracción del mineral la excavación se abandona o se rellena.

En minería metálica, cuando el mineral no se presenta en capas, los taludes van modificándose al ir avanzando la excavación en profundidad y perímetro, aunque suelen mantenerse sus inclinaciones.

Un caso particular son las canteras, donde los frentes de excavación se van retranqueando continuamente, y donde, por lo general, las inestabilidades corresponden a bloques o conjuntos de bloques que se desprenden a favor de las discontinuidades de los macizos rocosos competentes que son explotados.

Lugar de donde se extrae piedra y otros materiales usados en la construcción.

En el diseño y excavación de los taludes mineros los criterios económicos juegan un papel fundamental, siendo frecuente asumir cierto grado de riesgo de roturas locales o

parciales en los taludes si éstas no ponen en peligro la seguridad de las personas ni el ritmo de los trabajos de extracción; en estos taludes temporales no se instalan sostenimientos o estabilizaciones.

Sin embargo, en ingeniería civil las tolerancias de movimientos en los taludes son muy restrictivas, al poder afectar a las estructuras que se construyen en su entorno, primando los criterios de seguridad.

Los estudios geológicos y geotécnicos de taludes están dirigidos al diseño de taludes estables en función de las condiciones requeridas (corto, medio o largo plazo, relación costo-seguridad, grado de riesgo aceptado, etc.) así como a la estabilización de taludes inestables.

Las investigaciones in situ para taludes tienen como objetivo reconocer geológica y geotécnicamente el terreno afectado por la excavación, con los fines de obtener los parámetros necesarios para analizar su estabilidad, diseñar los taludes, excavar los materiales, calcular las medidas de estabilización y proyectar obras de drenaje, entre otros.

Como norma general, cada proyecto de excavación debe ser analizado teniendo en cuenta:

- Las dimensiones previstas (profundidad y longitud de los taludes).

- La posición del nivel freático y condiciones hidrogeológicas.

- La litología y estructura geológica. - Los requisitos del proyecto (taludes a largo o corto plazo, condiciones geométricas, etc.).

Las propiedades resistentes de los materiales, suelos o macizos rocosos, se obtienen mediante los ensayos in situ y de laboratorio adecuados y a la aplicación de criterios. Los ensayos de laboratorio más característicos para el diseño o estudio de taludes son los de clasificación, identificación, corte directo en suelos, en discontinuidades y compresión simple, entre otros.

• Esfuerzos debido al campo tectónico residual • Acción gravitacional • Presencia de agua, etc.,

Fuerzas resistentes del maciso rocoso • Cohesión • Fricción del material

La cohesión de la roca es la cualidad por la cual las partículas se mantienen unidas en virtud de fuerzas internas, que dependen, entre otras cosas del número de puntos de contacto que cada partícula tiene con sus vecinas. Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción, a la fuerza entre dos superficies en contacto, a aquella que se opone al movimiento entre ambas superficies (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del deslizamiento (fuerza de fricción estática). Se genera debido a las imperfecciones, mayormente microscópicas, entre las superficies en contacto

Un aspecto muy importante a investigar es la posible presencia de deslizamientos naturales, activos o inactivos, en las laderas donde se proyectan excavaciones, ya que las obras pueden reactivar los movimientos al modificar las condiciones iniciales de la ladera (geometría, hidrogeología, estados tensionales,etc.).

La presencia de inestabilidades naturales preexistentes modifica el diseño de la excavación, e incluso puede hacer inviable la

misma, obligando a emplazamientos alternativos. En estos casos se deben investigar aspectos como la magnitud y

profundidad de la inestabilidad, la actividad del proceso, la situación de los planos de deslizamiento, la posición del nivel freático, etc.

• La estabilidad de un talud se determina por la

relación existente entre las fuerzas que tienden a producir la inestabilidad y las fuerzas resistentes producidas por las características del macizo rocoso • La relación así explicitada da origen al denominado principio de equilibrio limite.

La estabilidad de un talud está determinada por factores geométricos (altura e inclinación), factores geológicos (que condicionan la presencia de planos y zonas de debilidad y anisotropía en el talud), factores hidrogeológicos (presencia de agua) y factores geotécnicos o relacionados con el comportamiento mecánico del terreno (resistencia y deformabilidad).

Anisotropía: La anisotropía (opuesta de isotropía) es la propiedad general de la materia según la cual cualidades como: elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de propagación de la luz, etc. varían según la dirección en que son examinadas.1 Algo anisótropo podrá presentar diferentes características según la dirección. La anisotropía de los materiales es más acusada en los sólidos cristalinos, debido a su estructura atómica y molecular regular. En un sentido más general, se habla de anisotropía cuando se produce cualquier cambio de escala de una figura o un cuerpo, como en un gráfico x-y, con factores distintos (o en dependencia de una función) en cada coordenada.

La combinación de los factores citados puede determinar la condición de rotura a lo largo de una o varias superficies, y que sea cinemáticamente posible el movimiento de un cierto volumen de masa de suelo o roca. La posibilidad de rotura, los mecanismos y modelos de inestabilidad de los taludes están controlados principalmente por factores geológicos y geométricos.

En macizos rocosos competentes, el principal factor condicionante es la estructura geológica: la disposición y frecuencia de las superficies de discontinuidad y el grado de fracturación; en materiales blandos, como los lutíticos o pizarrosos, la litología y el grado de alteración juegan también un papel predominante.

Junto a los factores condicionantes de la estabilidad de los taludes (también denominados «pasivos»), los factores desencadenantes o «activos» provocan la rotura una vez que se cumplen una serie de condiciones. Estos últimos son factores externos que actúan sobre los suelos o macizos rocosos, modificando sus características y propiedades y las condiciones de equilibrio del talud

La naturaleza del material que forma un talud está íntimamente relacionada con el tipo de inestabilidad que éste puede sufrir, presentando las diferentes litologías distinto grado de susceptibilidad potencial ante la ocurrencia de deslizamientos o roturas. Las propiedades

físicas y resistentes de cada tipo de material, junto con la presencia de agua, gobiernan su comportamiento tensodeformacional y, por tanto, su estabilidad.

La estructura geológica juega un papel definitivo en las condiciones de estabilidad delos taludes en macizos rocosos. La combinación de los elementos estructurales con los parámetros geométricos del talud, altura e inclinación y su orientación, definen los problemas de estabilidad que se pueden presentar.

La estructura del macizo queda definida por la distribución espacial de los sistemas de discontinuidades, que “individualiza” bloques más o menos competentes de matriz rocosa que se mantienen unidos entre sí por las características y propiedades resistentes de las discontinuidades. La presencia de estos planos de debilidad (como superficies de estratificación, diaclasas, fallas, etc.) buzando hacia el frente del talud supone la existencia de planos de rotura y deslizamiento potenciales, y su orientación y disposición condiciona los tipos, modelos y mecanismos de inestabilidad.

Competencia de roca Se habla de rocas competentes cuando son resistentes a los esfuerzos geológicos y tienden a fallarse (romperse) en lugar de plegarse cuando su resistencia es sobrepasada. En esta categoría entran por ejemplo las rocas volcánicas. En cambio, las rocas sedimentarias de grano fino y las calizas tienden a ser incompetentes. Sometidas a un esfuerzo, las rocas competentes se comportan de acuerdo a la Ley de Hooke.

La presencia de discontinuidades implica un comportamiento anisótropo del macizo y unos planos preferenciales de rotura; por ejemplo, un determinado sistema de fracturas condicionará tanto la dirección de movimiento como el tamaño de los bloques a deslizar, o la presencia de una falla buzando hacia el talud limitará la zona inestable y condicionará el mecanismo de rotura. Los cambios y singularidades estructurales en un macizo rocoso, como zonas tectonizadas o de cizalle, cambios bruscos en el buzamiento de los estratos, etc., suponen heterogeneidades que puede condicionar las zonas de rotura.

Un aspecto importante es la relación entre las dimensiones del frente del talud y la red de discontinuidades; en función de esta relación, el comportamiento del talud quedará definido por una o unas pocas macrodiscontinuidades (referidas a la escala del talud) o bien por varios sistemas de juntas y otros planos de debilidad con un entramado denso, condicionando el tipo y el volumen de las inestabilidades.

La influencia de la estructura geológica va más allá del condicionamiento geométrico de las roturas, pudiendo afectar a la estabilidad de los taludes a causa de las modificaciones inducidas por la excavación. Por ejemplo, en estructuras de tipo compresivo o distensivo la existencia de esfuerzos tectónicos residuales puede inducir procesos desestabilizadores.

La mayor parte de las roturas se producen por los efectos del agua en el terreno, como la generación de presiones intersticiales, o los arrastres y erosión, superficial o interna, de los materiales que forman el talud. En general, puede decirse que el agua es el mayor enemigo de la estabilidad de los taludes (además de las acciones antrópicas, cuando se realizan excavaciones inadecuadas sin criterios geotécnicos).



Presiones intersticiales: La presión intersticial es la presión ejercida en los espacios intersticiales, estos espacios son los poros o espacios vacíos en la roca.



Acciones antrópica: Cualquier acción o intervención que el ser humano implementa sobre la faz de la Tierra.



Resistencia al corte: Se denomina como resistencia al corte a la tensión de corte o cizallamiento en el plano de corte y en el momento de falla. El ingeniero debe entender la naturaleza de la resistencia al corte para analizar los problemas de capacidad de carga, estabilidad de taludes y presiones laterales sobre estructuras de contención de tierra.

La presencia de agua en un talud reduce su estabilidad al disminuir la resistencia del terreno y aumentar las fuerzas tendentes a la inestabilidad. Sus efectos más importantes son: 1)

2)

Reducción de la resistencia al corte de los planos de rotura al disminuir la tensión Normal efectiva. La presión ejercida sobre grietas de tracción aumenta las fuerzas que tienden al deslizamiento.

3) Aumento del peso del material por saturación 4) Erosión interna por flujo subsuperficial o subterráneo. 5)Meteorización y cambios en la composición mineralógica de los materiales. 6)Apertura de discontinuidades por agua congelada

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La forma de la superficie freática en un talud depende de diferentes factores, entre los que se encuentran la permeabilidad de los materiales, la geometría o forma del talud y las condiciones de contorno. En macizos rocosos, la estructura geológica tiene una gran influencia en la disposición del nivel freático y, por tanto, en la distribución de las presiones intersticiales sobre cualquier superficie potencial de deslizamiento en un talud, así como la alternancia de materiales permeables e impermeables.

Permeabilidad

La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo atraviese sin alterar su estructura interna. Se afirma que un material es permeable si deja pasar a través de él una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado, e impermeable si la cantidad de fluido es despreciable.

La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores básicos: 

la porosidad del material;



la densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura;



la presión a que está sometido el fluido.

Para ser permeable, un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios vacíos o poros que le permitan absorber fluido. A su vez, tales espacios deben estar interconectados para que el fluido disponga de caminos para pasar a través del material.

ESQUEMA DEL NIVEL FREATICO EN UN TALUD SEGÚN LA DISTRIBUCION DE 41 LOS MATERIALES

Si bien la modificación del nivel freático obedece generalmente a cambios lentos y periodos largos, en caso de materiales muy permeables puede llegar a producirse un ascenso relativamente rápido como consecuencia de precipitaciones intensas.

Además del agua en el interior del terreno, hay que considerar el papel del agua superficial (por

precipitación, escorrentía, etc.), que puede causar problemas importantes de estabilidad al crearse altas presiones en las discontinuidades y grietas por las que se introduce, y en la zona más superficial del terreno;

de hecho, las roturas en taludes en suelos son más frecuentes en periodos de lluvias intensas, tras una fuerte tormenta o en épocas de deshielo. Los fenómenos de erosión y lavado en materiales blandos o

poco consistentes aparecen asimismo asociados a la presencia de agua superficial.

Los aspectos más importantes que deben conocerse para evaluar la magnitud y la distribución de las presiones intersticiales en el talud y los efectos del agua son: - Comportamiento hidrogeológico de los materiales.

- Presencia de niveles freáticos y piezométricos. - Flujo de agua en el talud. - Parámetros hidrogeológicos de interés: coeficiente de permeabilidad o conductividad hidráulica,

gradiente hidraúlico, transmisividad y coeficiente de almacenamiento.

Las tensiones naturales pueden jugar un papel importante en la estabilidad de los taludes rocosos. La liberación de tensiones que puede suponer la excavación de un talud puede originar tal descompresión que el material se transforma y fragmenta por las zonas más débiles y pasa a comportarse como un suelo.

El estado tensional de un talud depende de su configuración geométrica y del estado de tensiones del macizo rocoso previo a la excavación. En la figura se presenta un ejemplo de la distribución de los esfuerzos litostáticos después de realizar una excavación.

MODIFICACION DE LAS TRAYECTORIAS DE LOS ESFUERZOS HORIZONTALES ORIGINALES COMO CONSECUENCIA DE UNA EXCAVACION

En excavaciones profundas, las elevadas tensiones que se generan en zonas singulares como el pie del talud pueden dar lugar a condiciones de desequilibrio, llegando incluso a producirse deformaciones plásticas. También en la cabecera del talud se generan estados tensionales anisótropos con componentes traccionales que provocan la apertura de grietas verticales.

Si a un macizo rocoso se le somete a tensiones de tipo tectónico, al realizarse una excavación tiene lugar la liberación y redistribución de las mismas; el cambio del estado tensional previo provoca la pérdida de resistencia del material. as discontinuidades y las zonas con estructuras compresivas (ej. pliegues) se convierten en zonas de debilidad por la aparición de tensiones distensivas o traccionales.

El efecto de relajación que produce la excavación

puede dar lugar a desplazamientos en el macizo rocoso, al tender a un nuevo estado de equilibrio, generándose grietas o aperturas de los planos de discontinuidad, que juegan un papel importante en las fases iniciales de los procesos de inestabilidad. Este reajuste es función también del tipo, estructura y resistencia del macizo, y disminuye con el tiempo.

Las sobrecargas estáticas y las cargas dinámicas

que se ejercen sobre los taludes modifican la distribución de las fuerzas y pueden generar condiciones de inestabilidad. Entre las primeras

están el peso de estructuras o edificios, u otro tipo de cargas como rellenos, escombreras, paso de vehículos pesados, etc. que, cuando se ejercen

sobre la cabecera de los taludes, aportan una carga adicional que puede contribuir al aumento de las fuerzas desestabilizadoras.

TALUDES EN SUELOS Los taludes en suelos rompen generalmente a favor de superficies curvas, con forma diversa condicionada por la morfología y estratigrafía del talud

52

-

Puede ser aproximadamente circular (la más frecuente), con su extremo inferior en el pie del talud, (deslizamiento de pie), cuando éste está formado por terreno homogéneo o por varios estratos de propiedades geotécnicas homogéneas

ROTURA CIRCULAR DE PIE

TIPOS DE SUPERFICIES DE ROTURA EN SUELOS

-

Puede ser casi circular pero pasando por debajo del pie del talud (deslizamiento profundo);

ROTURA CIRCULAR PROFUNDA

TIPOS DE SUPERFICIE DE ROTURA

Si se dan determinadas condiciones en el Talud, como la

existencia de estratos o capas de diferente competencia, puede tener lugar una rotura a favor de una superficie plana o de una superficie poligonal formada por varios tramos planos

ROTURA SEGÚN UNA POLIGONAL

TIPOS DE SUPERFICIES DE ROTURA EN SUELOS

Las roturas de taludes en suelos a favor de un único plano paralelo al talud son prácticamente inexistentes, aunque este modelo puede ser válido en el caso de laderas naturales con recubrimientos de suelos sobre rocas

ROTURA PLANA

TIPOS DE SUPERFICIES DE ROTURA EN SUELOS

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 indicados en la siguiente figura son: 1.

Rotura plana,

2.

En cuña,

3.

Por vuelco,

4.

Por pandeo, y

5.

Curva.

Incluye la representación estereográfica de las condiciones estructurales de algunos de ellos.

TALUDES EN ROCA

REPRESENTACION ESTEREOGRAFICA DE LOS PLANOS DE DISCONTINUIDAD CON RESPECTO A LA ORIENTACION DEL TALUD PARA ALGUNOS TIPOS DE ROTURAS EN MACIZOS ROCOSOS

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 (Ψ > α) y su buzamiento debe ser mayor que su ángulo de rozamiento interno (α > Ø )

ROTURA PLANA

CONDICIONES PARA LA ROTURA PLANA

ROTURA PLANA

En taludes excavados paralelos a la estratificación, pueden tener lugar roturas planas por 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

Los diferentes tipos de roturas planas dependen de la distribución y características de las discontinuidades en el talud. Las más frecuentes son: Rotura por un plano que aflora en la cara o en el pie del talud, con o sin grieta de tracción.

Rotura por un plano paralelo a la cara del talud, por erosión o pérdida de resistencia del pie. 64

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 65

CONDICIONES PARA LA ROTURA EN CUÑA

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Vuelco de estratos Se produce en taludes de macizos rocosos donde los estratos presentan buzamiento contrario a la inclinación del talud y dirección paralela o subparalela al mismo. En

general, los estratos aparecen fracturados en bloques a favor de sistemas de discontinuidades ortogonales entre sí. 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.

VUELCO DE ESTRATOS

Esquemas de taludes con estructura favorable al vuelco de estratos. Bloques rocosos de un talud que han sufrido proceso de vuelco

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Rotura por pandeo Este tipo de rotura se produce a favor de planos de estratificación paralelos al talud(α = Ψ),con buzamiento mayor que el ángulo de rozamiento interno (α > Ø). 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 POR PANDEO

Las causas que pueden generar la rotura por pandeo son: - Altura excesiva del talud. - Existencia de fuerzas externas aplicadas sobre los estratos. - Geometría desfavorable de los estratos. - Existencia de presiones de agua sobre los estratos. - Concentración desfavorable de tensiones.

ROTURA POR PANDEO

Esquema de pandeo en estratos verticalizados, con flexión y fractura de los estratos.

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Rotura por pandeo Este tipo de rotura suele darse en los taludes de muro de cortes mineras, al ser excavados paralelos a la estratificación, cuando los planos presentan espaciados pequeños

Pandeo de estratos en materiales lutíticos con rotura de las placas de roca en su base.

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Para el diseño de cualquier explotación a cielo abierto es necesario contar con la modelización geológica del yacimiento, la cual se obtiene a partir de los trabajos previos de investigación. Este diseño contempla el establecimiento de los contornos finales, intermedios y perspectivos en las diferentes etapas en el desarrollo de la explotación, así como la definición del método de explotación y la selección de la maquinaria a utilizar.

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Un aspecto de extrema importancia para el armónico desarrollo de los trabajos mineros es el que está relacionado con la estabilidad de sus contornos, ya que garantizan la seguridad durante la explotación, en el período de cierre y, en el uso posterior de los espacios creados por la explotación.

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Esta información la podemos agrupar de la siguiente forma:

      

Modelo geológico del yacimiento Propiedades del macizo rocoso Características hidrogeológicas de macizo Efectos de la alteración de las rocas Esfuerzos in situ Efectos de las tronaduras en las rocas Tratamiento para preservar la estabilidad de los taludes. Aquí es importante tener un criterio de cómo quedara el espacio creado y que posible uso tendrá. 76

Recolección de Información Geológica tanto en soporte electrónico o papel: La disponibilidad de un modelo geológico es fundamental. Estos Modelos Geológicos son más efectivos cuando se confeccionan en tres dimensiones con el empleo de programas profesionales como VULCAN, GEMCOM, DATAMINE, MINESIGHT, etc.

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Los modelos permiten visualizar en tres dimensiones la geología, Geología estructural, distribución de leyes, distribución de agua subterránea y toda la información geomecánica existente y disponible (RQD, RMR, Q, etc.).

Con la automatización del diseño se facilita utilizar la interface de Modelos Geológicos con Modelos de Análisis de Estabilidad.

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Es el aspecto que constituye el mayor problema, en el análisis de estabilidad de taludes y, la toma de decisiones para el diseño de la estrategia de explotación de minas a cielo abierto. Se tendrá en cuenta el problema que surge con la selección del tipo de modelo que caracteriza al macizo, modelos continuos (Homogéneos) o discontinuos (discretos).

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Es conveniente usar el criterio de falla de Hoek y Brown teniendo en cuenta los supuestos considerándos en su evaluación y utilizar los cálculos retroactivos para verificar si los parámetros asumidos en el criterio de falla son correctos. Se recomienda el empleo de métodos probabilísticos.

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La presencia de agua subterránea en los taludes reduce las tensiones efectivas y, consecuentemente, reduce la resistencia al corte de las discontinuidades presentes en el macizo rocoso. La medición y el control de los niveles freáticos es importante durante toda la vida de la explotacion. El modelo geológico debe incluir la información del nivel freático, sus fuentes de alimentación, así como la hidráulica del macizo rocoso. 81

La mineralización en muchos casos está asociada a zonas de alteración que tienen impacto sobre la resistencia del macizo rocoso y, por lo tanto, su estabilidad. Durante el mapeo geológico se deben identificar zonas de alteración mostrando sus grados y tipo de alteración. El mapeo geológico debe precisar el efecto de la alteración en la resistencia y calidad de los macizos rocosos. Para definir la alteración se debe utilizar la observación de campo, complementada por investigaciones geofísica y ensayos de laboratorio. 82

Los taludes de forma convexa (salientes) son menos estables que los taludes cóncavos debido a la falta de confinamiento en los primeros. El efecto del desconfinamiento es usualmente ignorado. Éste termina generalmente en pérdida de resistencia del macizo rocoso.

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La concentración de tensiones en los pies de los taludes de bancos de gran altura produce fallas en la zona, que causan inestabilidad en los mismos. En contadas ocasiones se realizan mediciones de esfuerzos in situ para diseño de taludes.

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El daño causado por una tronadura masiva se extiende varios metros detrás del talud. El daño de la tronadura se produce debido a los esfuerzos dinámicos inducidos que resultan en el proceso de fracturación de la roca, con lo cual se produce la abertura de las discontinuidades.

Es importante hacer una detallada observación de los testigos de perforación para tener una apreciación real del macizo rocoso. El efecto de la rotura o fragmentación producida por la tronadura debe ser tomado en cuenta durante el mapeo geotécnico, para valorar en que medida es afectada la calidad del macizo rocoso.

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La estabilidad de los taludes en una explotación a cielo abierto tiene una gran importancia para la seguridad y efectividad económica de la misma por lo que debe ser considerada desde el inicio del proceso de diseño.

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Los aspectos más importantes que afectan la seguridad en los frentes y operaciones son los siguientes:

a) Caída o deslizamiento de rocas sueltas b) Colapso parcial o total de un banco

Las recomendaciones para el control y eliminación de los riesgos son la adopción de las siguientes medidas:

a) Diseño adecuado de bancos y plataformas para retener los desprendimientos de materiales. b) Determinación y mantenimiento adecuado de taludes generales seguros. c) Control en las proximidades del talud, para reducir los daños en el macizo. d) Aplicación de sistemas de drenaje en los macizos para reducir las tensiones originadas por el agua. e) Saneo sistemático y efectivo de materiales sueltos, potencialmente peligrosos por la posibilidad de caída.

Los estudios previos necesarios para realizar el diseño geotécnico de un talud estable implican una caracterización del macizo rocoso a partir de los siguientes factores: a) Sistemas de juntas y discontinuidades b) Relación de estos con las superficies de los frentes, taludes y los posibles planos de rotura. c) Parámetros resistentes de las juntas, las características y propiedades de sus superficies, así como los materiales que los rellenan. d) Propiedades geotécnicas de la matriz rocosa. e) Características hidrogeológicas y las presiones de agua en las juntas y fracturas. f) Efecto de las vibraciones sobre los macizos

Es necesario señalar las formas de rotura que se producen a partir de los datos registrados. En el caso de taludes rocosos, las superficies de rotura pueden producirse a partir de las discontinuidades preexistentes en el macizo. Se puede aplicar un método gráfico para identificar las situaciones en los que, cinemáticamente, son posibles ciertos tipos de rotura.

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La utilización de los métodos gráficos permite detectar los sectores de la explotación que son susceptibles a la producción de roturas y así, dirigir las acciones de reconocimiento hacia las zonas mas criticas.

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En el caso de macizos poco cohesionados del tipo suelo, la experiencia ha demostrado que las roturas son del tipo circular. En los macizos rocosos muy fracturados y, donde esta se manifiesta de forma aleatoria o, donde el talud general varía con respecto a la estructura, las superficies de rotura son más complejas; pudiendo ser compuestas y formadas parcialmente por discontinuidades próximas a la superficie de deslizamiento y, por otro lado, por factores nuevos en la roca intacta. 93

En el caso de una fracturación intensa el grado de imbricación de bloques y sus posibilidades de movimiento juegan un papel importante, pudiendo adoptarse la hipótesis de rotura circular. Los cálculos de estabilidad de equilibrio limite (basados en la mecánica de los sólidos no deformables) se pueden aplicar para los diferentes tipos de roturas indicadas. Imbricación: superposición parcial de objetos iguales, imitando la disposición de las escamas de los peces 94

En geotécnia, el riesgo de colapso de un talud se mide en términos del llamado coeficiente de seguridad FS, que es la relación entre el conjunto de los esfuerzos resistentes o estabilizadores y los desestabilizadores que provocan la rotura del talud. La relación de un factor FS mayor implica una disminución del riesgo, pero supone en general taludes mas acostados o tendidos.

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El valor FS=1 señala la frontera en la cual un talud es o deja de ser estable. La necesidad de utilizar valores de FS > 1 surge como consecuencia de los siguientes factores: a) Posible existencia de características geológicas y estructurales del talud, que no han sido detectadas en el estudio geotécnico. b) Los posibles errores en los ensayos para caracterizar al macizo. 96

c) La heterogeneidad y anisotropía presente en el macizo. d) La determinación y variabilidad de las presiones de agua en el talud. e) Los errores derivados de las supuestas superficies de rotura utilizadas. f) Los errores en los cálculos.

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Los valores que se adoptan en la práctica varían en función de las consecuencias que resultaran de su colapso, y del nivel de confianza en los datos utilizados. La experiencia que se obtiene teniendo en cuenta las considerables implicaciones económicas, en la selección de un coeficiente de seguridad FS próximo a 1,3 puede ser adecuado para taludes cuya estabilidad no se considere a largo plazo, Como es el caso de los taludes de los frentes de trabajo que en ocasiones se trabajan con FS= 1.

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Por el contrario si las condiciones son criticas o estamos ante los contornos finales FS puede tomar valores de 1,5 a 1,6, aunque dependiendo del tipo de roca, de sus propiedades geológicas y del grado de alteración con el tiempo, se deberán tomar medidas adicionales aún con un factor de seguridad elevado.

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Los métodos frecuentemente utilizados en el análisis de estabilidad de taludes en roca, buscan determinar el equilibrio limite entre las rocas factibles de derrumbar. Se han desarrollado modelos para superficies de falla que plantean procedimientos de análisis para la estabilidad de bloques limitados por planos de discontinuidades geológicas (fallas, fracturas).

• Una metodología de análisis alternativa implica recurrir a la experiencia acumulada en diferentes faenas mineras para obtener datos sobre altura, ángulo de talud, y su estabilidad en el tiempo. • Lo anterior ha permitido desarrollar modelos de comportamiento de taludes en función de su estabilidad.

• La información relacionada con el análisis del comportamiento de taludes en profundidad es escasa. concluir para • Algunas curvas de diseño permiten un determinado factor de seguridad y altura, el ángulo de talud correspondiente. información • En general, estas curvas no entregan para profundidades mayores a trescientos metros.

• Las técnicas de equilibrio limite invariablemente reducen la condición de equilibrio de las rocas excavadas a un factor de seguridad. • Este factor se explicita como el cuociente aritmético entre los esfuerzos en pro del deslizamiento de los taludes y los esfuerzos resistentes involucrados.

• En general, si el factor de seguridad es igual o mayor que 1.0 el talud es estable, y si el cuociente es menor QUE 1.0 LA ROCA DE DICHO TALUD ES INESTABLE.

PARA MINERÍA A CIELO ABIERTO : • TALUD DE BANCO: F.S. = 1.0 – 1.3 • TALUD ENTRE RAMPAS: F.S. = 1.3 – 1.5

METODOLOGIA DE EQUILIBRIO LIMITE SOFTWARE SLIDE

ZONIFICACION DE LA ESTABILIDAD DE TALUDES PARA UNA EXCAVACION OPEN PIT

ANÁLISIS DE ESTRUCTURAS PARA ESTABILIDAD DE TALUDES • En los macizos rocosos, los modos en que falla el macizo y la estabilidad del mismo son controladas en una gran manera por la intersección de las discontinuidades presentes, con la superficie de excavación.

• Estas discontinuidades al intersectarse con las superficies de excavación pueden formar bloques que no revistan ningún peligro para la operación, pero otras configuraciones de bloques pueden ser de real peligro para la operación

CUÑAS Y BLOQUES EN CONDICION DE DESLIZAMIENTO POTENCIAL

EXCAVACION INSEGURA

CONCENTRACION DE POLOS Y PLANOS DE LAS ESTRUCTURAS PRINCIPALES Dip/Dip Direction

ANALISIS PROBABILISTICO DE DESLIZAMIENTO DE CUÑAS Y BLOQUES SOFTWARE SWEDGE

• De todo lo anterior se concluye que los antecedentes bibliográficos ahora disponibles para dimensionar o evaluar la estabilidad de taludes en profundidad sólo consideran la técnica de equilibrio limite. • Se debe destacar que esta metodología no permite incluir en el análisis de la estabilidad de un talud: • La deformabilidad del talud • Y los sistemas de estructuras

PRODUCTIBIDAD DE TALUDES • Se basa en el aumento de la producción mediante la verticalidad de los taludes, en base a: • • • •

Utilización de técnicas de precorte Control estructural Barreras de contención Sostenimiento opcional y/o puntual

SOSTENIMIENTO DE TALUDES - PERNOS O CABLES Y CONCRETO LANZADO

En estática, una estructura es hiperestática o estáticamente indeterminada cuando está en equilibrio pero las ecuaciones de la estática resultan insuficientes para determinar todas las fuerzas internas o las reacciones. Existen diversas formas de hiperestaticidad: •Una estructura es internamente hiperestática si las ecuaciones de la estática no son suficientes para determinar los esfuerzos internos de la misma. •Una estructura es externamente hiperestática si las ecuaciones de la estática no son suficientes para determinar fuerzas de reacción de la estructura al suelo o a otra estructura. Una estructura es completamente hiperestática internamente y externamente hiperestática.

si

es

INDICE SMR

La aplicación de clasificaciones geomecánicas a los taludes permite evaluar empíricamente la estabilidad de una excavación. A partir de ñla clasificación RMR se propone la clasificación SMR aplicable a taludes. El índice SMR se obtiene del RMR definiéndose unos factores de ajuste por orientación de las discontinuidades y por el método de excavación.

Ejercicio aplicado: Para un talud con rumbo N 45°O, buzamiento de 65°SO y un ángulo de fricción interna de 45°, evaluar que tipo de rotura podría existir con cada uno de las siguientes familias de fallas: a) Familia de diaclasas rumbo NO con buzamiento de 70°NE (distancia de 5 metros de la cara del talud). b) Familia de diaclasas rumbo S 45°E con buzamiento de 50°SO (distancia de 5 metros de la cara del talud). c) Familia de diaclasas rumbo S 25°E con buzamiento de 55°SOO, Familia de diaclasas rumbo N 75°O con buzamiento de 60°SSO.

d) Falla con rumbo S 35°O con buzamiento de 70°NNO Evalúe un SRM para cada una de las familias presentadas si su valor RMR es igual a 65.

Criterio de rotura de Hoek and Brown Criterio empírico de rotura no lineal válido para evaluar la resistencia de la matriz rocosa isótropa en condiciones triaxiales. El criterio de rotura de macizos rocosos de Hoek-Brown es ampliamente aceptado y ha sido aplicado en un gran numero de proyectos a nivel mundial. Mientras que en general el criterio se considera satisfactorio, existen algunas incertidumbres e inexactitudes que ha creado inconvenientes en su implementación a modelos numéricos y a programas de computación de equilibrio límite. En particular, la dificultad de encontrar un ángulo de fricción y resistencia cohesiva equivalentes para un macizo rocoso dado, ha sido un inconveniente desde la publicación original del criterio en 1980.

Un estado de esfuerzos en un medio es único, mientras no cambien las fuerzas que los produzcan. El estado de esfuerzo puede ser representado por un conjunto de esfuerzos normales (o axiales) y de esfuerzos cortantes (o tangenciales) referenciados a un sistema coordenado, lo que se llama "tensor de esfuerzos". Tu puedes elegir una dirección cualquiera en el espacio euclidiano y saber cuales son los valores de los esfuerzos normal y cortante en esa dirección con solo conocer un tensor de esfuerzos. El esfuerzo normal y el esfuerzo cortante son perpendiculares entre sí y por lo tanto, son las componentes rectangulares del "vector esfuerzo". En cualquier dirección que tu elijas, existirá un vector esfuerzo, con sus respectivas componentes normal y cortante. Sin embargo, solo existen (en el espacio) tres direcciones, en las cuales, la componente cortante se hace nula y solo existe la componente normal del esfuerzo, por lo que el vector esfuerzo será igual a la componente normal. A esas direcciones, se les llama direcciones principales y a los esfuerzos normales que existen en esas direcciones se les llama "esfuerzos principales". Los esfuerzos principales son únicos para un estado de esfuerzo, ya que son la solución del sistema de ecuaciones que define el estado de esfuerzo, y son ortogonales entre sí.