ISSN-e: 3006-9467; ISSN: 0016-7975 / 1011-9565

GEOMINAS, Vol. 43, N° 68, diciembre 2015

Estabilización de taludes/Slope stabilization/Estabilização de taludes

Estudio geotécnico de los taludes ubicados entre el sector El Portachuelo y La Chorrera, vía Jají, municipio Campo Elías, estado Mérida

Geotechnical study of the slops located between “El Portachuelo” and “La Chorrera” area, on the way to Jaji, “Campo Elias” municipality, Merida state

Estudo geotécnico dos taludes localizados entre o setor “El Portachuelo” e “La Chorrera”, via Jají, município “Campo Elías”, estado Mérida

Francisco Bongiorno

IngºGeoº, Dr, Profesor Universidad de Los Andes (ULA), Grupo de Investigación en Geología Aplicada (GIGA), Correo-e: frabon@ula.ve

Norly Belandria

IngºGeoº, MSc, Profesora ULA, GIGA, Correo-e: nbelandria@ula.ve

O'Neill Belandria

IngºGeoº, ULA, Correo-e: oneillbb@gmail.com

Fidel Castillo

IngºGeoº, ULA, Correo-e: fidelc_17@hotmail.com

Germán Molina

IngºGeoº, Profesor ULA, GIGA, Correo-e: gmolinab@ula.ve

Recibido: 4-4-15; Aprobado: 7-11-15

Resumen

Este trabajo se ubica en los sectores El Portachuelo y La Chorrera, vía hacia la población de Jají, municipio Campo Elías, estado Mérida y se pretende estudiar la estabilidad de los taludes más vulnerables, a partir de cuatro etapas principalmente: búsqueda de información bibliográfica, etapa de campo, ensayo de laboratorio, análisis y resultados. Partiendo de ello se realizan las clasificaciones geomecánicas de suelos (SUCS) y de macizos rocosos (GSI, RMR y SMR). Con el uso de las proyecciones estereográficas y el mapa de densidad de polos, se puede determinar el tipo de rotura, para posteriormente, utilizando el método de equilibrio límite se obtendrá el factor de seguridad. Según los resultados obtenidos los macizos rocosos son de clase media a mala, requieren tratamientos ocasionales o sistemáticos, en el caso de los taludes de suelos, en su mayoría son estables, pero al considerar la saturación de agua tienden a ser inestables. Para aumentar el factor de seguridad en los taludes de suelos se plantea principalmente la canalización de las diferentes quebradas, la siembra de vetiver y en el caso de los macizos rocosos, la creación de un sistema de anclaje..

Abstract

This investigation is developed at “El Portachuelo” and “La Chorrera” area, on the way to Jaji, “Campo Elias” Municipality, Merida State. The goal is to study the stability of the most vulnerable slops, based on four principal stages: search of bibliographical information, field study, laboratory trial, analysis and results. Based on the results, the soil geomechanics (SUCS) and the rock mass (GSI, RMR and SMR) classifications are made. The kind of break can be determinate using stereographic projections and the pole density map, in order to obtain the safety factor by using limit equilibrium method. According to the results obtained, the rock mass are from fair to poor class requiring occasional or systematic treatment. By the other hand, the soil slops are, for the most part, very stable. Nevertheless, if it is consider their water saturation they tend to be very unstable. In order to increase the safety factor in the soil slops, the principal suggestions are the scoring of the different gullies, the sowing of vetiver, and with the rock mass is necessary to create an anchors system.

Resumo

Este trabalho localiza-se nos setores “El Portachuelo” e “La Chorrera”, via para a população de Jají, município “Campo Elías”, estado Mérida e pretende-se estudar a estabilidade dos taludes mais vulneráveis, a partir de quatro etapas principalmente; busca de informação bibliográfica, etapa de campo, ensaio de laboratório, análise e resultados. Partindo disso se realizam as classificações geomecânicas de solos (SUCS) e de maciços rochosos (GSI, RMR e SMR). Com o uso das projeções estereográficas e o mapa de densidade de pontos, pode ser determinado o tipo de rompimento, para posteriormente, utilizando o método de equilíbrio limite se obterá o fator de segurança. Segundo os resultados obtidos os maciços rochosos são de classe média a má, requerem tratamentos ocasionais ou sistemáticos, no caso dos taludes de solos, em sua maioria são estáveis, mas ao considerar a saturação de água tendem a ser instáveis. Para aumentar o fator de segurança nos taludes de solos propõe-se principalmente a canalização das diferentes avariadas, semeia-a de vetiver e no caso dos maciços rochosos, a criação de um sistema de ancoragem.

Palabras clave/ Keywords/Palavras-chave:

Estabilidad, estabilidade, factor de seguridad, fator de segurança, geologia estrutural, geología estructural, geotechnical, geotecnia, geotécnica, safety factor, stability, structural geology, vulnerabilidad, vulnerabilidade, vulnerability.

Citar así/Cite like this/Citação assim: Bongiorno et al. (2015) o (Bongiorno et al., 2015).

Referenciar así/Reference like this/Referência como esta:

Bongiorno, F., Belandria, N., Belandria, O., Castillo, F., Molina, G.. (2015, diciembre). Estudio geotécnico de los taludes ubicados entre el sector El Portachuelo y La Chorrera, vía Jají, municipio Campo Elías, estado Mérida. Geominas 43(68). 147-157.

Introducción

La caracterización de los macizos en campo es una labor necesaria en todo estudio geológico y geotécnico, porque implica el conocimiento de las propiedades y características geomecánicas de esos materiales (Ferrer, M., y González, L. 2007). La determinación de todos los parámetros, tales como mecanismos de fallas, diaclasas, foliación, estratificación y otras discontinuidades, constituye la fase final del proceso descriptivo, y deben proporcionar las condiciones geológicas y geomecánicas de los macizos en su conjunto.

A partir de estos resultados se aplican las clasificaciones geomecánicas, que proporcionan información sobre la calidad y resistencia del macizo, así como datos cuantitativos para su aplicación a diferentes fines constructivos. Con el análisis cinemático se determina el tipo de rotura que se produce en los macizos rocosos, dependiendo de esta rotura se utilizan diferentes ecuaciones que permiten calcular el factor de seguridad. Estos análisis permiten determinar los problemas que afectan la estabilidad, permitiendo definir la geometría de la excavación o las fuerzas externas que deben ser aplicadas para lograr un factor requerido.

Actualmente el área de estudio está siendo sometida a la erosión y al sistema compresivo andino, que va en dirección SE-NO y en contraste a las orogénesis que afectaron a la región, han generado fallas, elevaciones, hundimientos. En este trabajo se pretende estudiar la estabilidad de los taludes más vulnerables, ubicados entre el sector El Portachuelo y La Chorrera, a partir de cuatro etapas principalmente: búsqueda de información bibliográfica, etapa de campo, ensayo de laboratorio, análisis y resultados.

La finalidad de esta investigación es obtener todos los datos necesarios que serán utilizados en las clasificaciones de suelo (SUCS) y roca (clasificación geomecánica de Romana, Hoek-Brown y Bieniawski), para posteriormente determinar el factor de seguridad, lo que permitirá evaluar la estabilidad en la zona. En el caso de los macizos se programa obtener las propiedades y parámetros geomecánicos de la roca, en el laboratorio y con ayuda del programa RocLab, para posteriormente con los software Dips, determinar el estudio cinemático y el tipo de rotura (plana, en cuña, y en vuelco), a partir de los criterios de rotura de Hoek y Brown y Mohr Coulomb, con ello se pretende determinar el factor de seguridad, con el propósito de conocer las zonas de riesgos que podrían afectar a la vialidad y a la población que transita en el área de interés.

Marco referencial

Ubicación del área de estudio

La zona de estudio se encuentra ubicada en el occidente del país, al noroeste del estado Mérida, encontrándose a 34 kilómetros de la ciudad de Mérida y 1.781 m de altitud, entre los sectores El Portachuelo y La Chorrera en el municipio Campo Elías. (Figura 1). Está conformada por una serie de montañas que se encuentran rodeadas por la Sierra Nevada y La Culata. La vía de acceso es a través de la carretera Mérida-Jají, teniendo en consideración que se puede realizar la ruta tanto por el oeste, partiendo de la localidad de Las Cruces, como por el este, por las poblaciones Manzano Alto y Jají.

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Figura 1.Ubicación del área de estudio.

Marco referencial

Ubicación del área de estudio

Geología local

La geología de la zona está conformada por unidades litológicas y litodémicas, tal como se presenta en la figura 2, la primera se representa por la Formación Aguardiente y la Formación La Quinta. Entre la unidad litodémica encontrada en el área de estudio se destaca La Asociación Tostós. Algunos taludes presentan características para ser estudiados como un suelo, por ello se realizaron calicatas con dimensiones de 1,5 m x 1,5 m x 1,5 m para la recolección de muestras.

Figura 2. Columna estratigráfica de la zona de estudio.

Metodología

En primera instancia se ubicaron todos los trabajos previos realizados en la zona de estudio, mapas geológicos, topográficos y fotografías aéreas donde se identificaron una serie de estructuras geológicas y rasgos geomorfológicos en las fotografías aéreas de la misión 010480 correspondiente del año 1988 como se muestra en la figura 3. Se digitalizaron los mapas geológicos del estado Mérida a escala 1:50.000 (Ministerio de Obras Públicas, año 1981) y topográfico a escala 1:100.000 (Cartografía Nacional, 1977, Mérida).

En una etapa siguiente se recolectaron datos en campo que consistió en localizar las fallas, medir su rumbo, buzamiento y movimiento, para ello se aplicó la metodología de Compton, R (1985).

Además de describir los macizos rocosos en relación al grado de meteorización y alteración de la roca, resistencia de la matriz rocosa generada por el índice de campo arrojado por el martillo de Schmidt o esclerómetro aplicado perpendicularmente a la superficie sana de la roca en el afloramiento, orientación, espaciado, continuidad o persistencia, rugosidad, abertura, relleno y filtrado de las discontinuidades que afecten los macizos rocosos (González de Vallejo et al., 2002).

Todos estos parámetros fueron tabulados de acuerdo a la figura 4, con el propósito de clasificarlos geomecánicamente según Bieniawski

Figura 3.Interpetración de las fotografías aéreas, misión 010480.

Figura 4. Tabulador de datos obtenidos en la

descripción de los macizos rocosos.

(1976) en donde F1 y F2 identifican las familias de discontinuidades presentes en el macizo rocoso.

La mayoría de estos parámetros fueron utilizados para clasificar geomecánicamente de acuerdo al método de Romana (1977) y para determinar el Índice de Resistencia Geológica GSI.

Algunos taludes presentan características para ser estudiados como un suelo, por ello se realizaron calicatas con dimensiones de 1,5 m x 1,5 m x 1,5 m como se muestra en la figura 5, con ello se recolectó entre 20 kg y 30 kg de material para ser estudiados en el laboratorio.

Figura 5. Calicatas empleadas para la toma de

muestra de suelo.

Figura 6. Planilla empleada para tabular los

resultados del talud formado por suelo.

Otro programa computacional empleado es el DIPS que permite la realización y procesamiento de las proyecciones estereográficas en las cuales se visualiza la ubicación de las discontinuidades, tipo de rotura (cuña, plana y en vuelco) y la cinemática estabilidad del macizo rocoso (Salcedo, 1978), (Figura 9), a través de datos como dirección del rumbo, ángulo de fricción interna, ángulo del talud, y buzamiento del talud.

Este programa permite adicionalmente calcular y representar el valor promedio de la máxima concentración de polos y diagrama de rosetas, el cual permite representar las medidas de orientación de las diferentes familias de discontinuidades de forma cuantitativa, mediante su densidad o frecuencia.

Complementariamente, el programa Swedge es una herramienta de análisis para evaluar la estabilidad de las cuñas de superficie en las laderas rocosas, que se define por dos discontinuidades que presentan una intersección entre ambas. Para un análisis determinístico se calcula el factor de seguridad para una cuña de orientación conocida y, por último, para procesar los resultados obtenidos del suelo se aplicaron herramientas como el programa Slide basado en el equilibrio límite de estabilidad de taludes en 2D, sirve para la evaluación de la estabilidad de superficies de falla circulares o no circulares en suelos o macizos rocosos.

Este programa se basa en el método de rebanadas verticales, permite calcular el factor de seguridad, lo que da una inferencia de la estabilidad en los taludes. La figura 10 muestra los resultados de taludes utilizando el programa Slide para un talud de composición de suelo.

Resultados

El desarrollo de la investigación el área de estudio se dividió en 6 zonas, en las cuales dos de ellas correspondían a macizos rocosos y las otras 4, a taludes constituidos por suelo.

Taludes con macizos rocosos: Los parámetros necesarios para clasificar geomecánicamente mediante el método de Bieniawski son reflejados en la tabla 1, donde F con los subíndices numéricos indican las familias del las diaclasas, dando como resultado malo, para los 2 taludes de macizos rocosos. Con los mismos datos obtenidos en la tabla 1 se calcularon el Índice de Resistencia Geológica GSI y los resultados obtenidos están representados en la tabla 2, que indican un índice Medio para los 2 macizos rocosos.

Empleando el programa Dips para investigar la estabilidad cinemática de los 2 taludes de macizo rocoso, se obtuvieron roturas por cuña, pero adicionalmente para el macizo rocoso 2 se manifiesta rotura por vuelco. La figura 12 muestra la proyección estereográfica de las familias F1 y F2 de discontinuidades presentes en el macizo rocoso 1, nótese que se forma la cuña por la intersección de las 2 familias, sin embargo, la misma no aflora en la cara libre del talud debido a que la línea del movimiento sigue la dirección del rumbo del talud, por ello no presenta peligro de inestabilidad para el mismo, y no es necesario determinar el factor de seguridad.

Tabla 2. Resultados para los macizos rocosos 1 y 2 de acuerdo a GSI.

Figura 11. Macizo Rocoso 2 presente en el área de estudio

de la Formación Aguardiente.

Figura 12. Proyección estereográfica del talud

y las discontinuidades del macizo rocoso 1.

Figura 13. Proyección estereográfica del talud y las discontinuidades del macizo rocoso 2.

Conclusiones

El macizo rocoso del talud 1 arrojó un índice RQD de calidad buena de la roca, el RMR equivale a una clase IV de calidad mala del macizo, y en el caso del GSI dio una valoración de 50, indicando que la calidad del macizo es media, a diferencia de Bieniawski, esta clasificación le asignó al macizo una mejor calidad. Para el caso de la cinemática, el macizo no presentó ningún tipo de rotura.

Para el macizo rocoso 2 el índice de calidad de la roca es bueno, el RMR le establece al talud una clase IV de calidad mala, y el GSI es igual a 51, por lo que se le asigna una calidad media al macizo. Según Romana, para el caso de la rotura en vuelco, el macizo es de clase 2, asignándole estabilidad y buena calidad, y en el caso de la rotura en cuña, el macizo es de clase III, indicando que el mismo es parcialmente estable. En ambos casos se requiere tratamientos ocasionales o sistemáticos.

En la obtención de las propiedades y parámetros del macizo rocoso 2, la cohesión (c) y el ángulo de fricción interna (fi) dan valores elevados, lo que indica una buena resistencia del macizo. En cuanto a la cinemática del talud se determinó la existencia de rotura en vuelco y en cuña, al evaluar esta última con el programa Swedge y de forma analítica, se determinó que el macizo para este tipo de rotura es inestable, y la cuña que en él se forma es relativamente pequeña.

La preparación de la muestra para casi todos los ensayos de suelo, inicialmente se debe cuartear el suelo para seleccionar la muestra más representativa con la que se piensa trabajar, tomándose aproximadamente unos 5 kg de suelo que posteriormente son llevadas al horno durante un tiempo estipulado de 24 horas.

Este procedimiento se debe practicar para cada una de las calicatas realizadas anteriormente en campo. El ensayo practicado de granulometría permitió separar los diferentes tamaños de las partículas del suelo, como gravas, arenas y finos utilizando diferentes tamices por vía seca y húmeda, contenido de humedad, peso específico de los sólidos (Gs), corte directo, determinando así la cohesión y el ángulo de fricción interna, límite de consistencia que determina la resistencia que ofrece el suelo a cambiar su forma, índice plástico (IP), límite líquido, límite plástico y ensayo de peso unitario (Casteletti, 1997).

Al obtener todos estos parámetros y los tomados en la etapa de campo, fueron tabulados como se muestra en la figura 6. Los resultados obtenidos fueron procesados en programas computacionales como el RocLab, el cual permite calcular parámetros del macizo rocoso como son el ángulo de fricción interna y la cohesión teórica de compresión uniaxial a partir de datos de campo.

En la figura 7 se muestra la pantalla que arroja este programa al ser introducidos los datos. La particularidad de este programa es que también permite calcular el GSI (Índice de Resistencia Geológica), según (Hoek y Brown, 1997) (Sönmer et al., 2002) como se muestra en la figura 8.

Figura 7. Pantalla que muestra el programa RocLab.

Figura 8. Pantalla que arroja el programa RocLab para el cálculo de GSI.

Figura 9. Pantalla que arroja el programa DIPS con resultados.

Figura 10. Pantalla que arroja el programa Slide con resultados.

Tabla 1. Resultados para los macizos rocosos 1 y 2.

Analizando la estabilidad de las discontinuidades presentes en el macizo rocoso 2, figura 13 de las 3 familias de discontinuidades y la dirección del talud, se aprecia que la cuña formada, su dirección de movimiento, aflora en la cara del talud, generando inestabilidad al mismo que debe tomarse en cuenta al momento de hacerle mantenimiento preventivo en la vía que conduce a la población de Jají.

Adicionalmente, este talud del macizo rocoso 2 presenta otra inestabilidad por vuelco generada por la familia F1, ya que cumple las 3 teorías fundamentales que son: el buzamiento de los planos de fracturación es contrario al del propio talud. El plano de falla tiene un rumbo aproximadamente paralelo (± 20 °) con relación al plano del talud, y a su vez β > ϕ + (90-α), donde β es el ángulo de buzamiento de la cara del talud, ϕ es el ángulo de fricción interna y α es el ángulo de buzamiento del plano de rotura que viene a ser la discontinuidades de la familia F1.

De acuerdo a la clasificación de Romana SMR, para la rotura en cuña, le asigna un valor de 60, indicando que el macizo es de clase III, parcialmente estable y en él se producen alguna cuñas, por lo que se requiere tratamientos sistemáticos; para la rotura por vuelco, el SMR asignado es de 69, indicando estabilidad y buena calidad en el macizo, donde se puede presentar algunas roturas en bloque, por lo que requieren tratamientos ocasionales.

Con el programa Swedge se calculó el factor de seguridad para el talud del macizo rocoso 2 arrojando resultado de 0,86 sin tomar en cuenta la cohesión, pero al tomarla en cuenta arroja un factor de seguridad de 1,42.

Taludes con suelo: Para los 3 taludes conformados por suelo se presentan las tablas 3 y 4. Con estos valores, se calcularon los factores de seguridad para cada talud empleando el programa Slide, basado en los métodos de Fellenius y Bishop. En la figura 14 se muestra el resultado de 1,69 como factor de seguridad arrojado para el talud TS3. Los factores de seguridad para los taludes TS1 y TS2 son de 4,3 y 1,7, respetivamente.

Tabla 3. Resultados ensayos de laboratorio para taludes en suelo (TS1,TS2 y TS3).

Tabla 4. Parámetros físicos observados en el campo.

Figura 14. Factor de seguridad del talud TS3 arrojado por el programa Slide.

El talud de suelo TS1 arrojó que es estable, está conformado por un suelo limoso de baja plasticidad y cohesión, siendo predominante las arenas. El principal problema que afecta a la vialidad es el deslizamiento ubicado en la carretera, producto al drenaje que origina erosión y saturación del material presente en el área de interés. Es importante destacar la falta de concordancia de los resultados con lo observado en campo, esto se debe principalmente a que en los métodos no se puede tomar en cuenta la erosión causada por el drenaje.

Para el caso del talud de suelo TS2 se calculó que es estable, y al saturarse complemente de agua se vuelve muy inestable, según lo observado en campo se puede denotar varios factores indispensables que indican un movimiento rotacional, siendo los más destacados la remoción del suelo y la vegetación con cierta inclinación. El tipo de suelo obtenido está en la frontera entre arenas limosas y arenas arcillosas, en ellas predominan principalmente las arenas finas, caracterizadas por presentar una cohesión muy baja y un ángulo de fricción intermedio. En general el plano de rotura obtenido en el Slide es relativamente pequeño, presentando poco espesor y longitud.

El talud de suelo TS3 es estable, a pesar que la compacidad y la consistencia sean un poco bajas, siendo la vegetación un factor importante, ya que crea una especie de anclaje en el terreno, permitiendo sostener con mayor firmeza el área, y en consecuencia aumenta el factor de seguridad. Cuando el talud se satura completamente de agua se vuelve muy inestable. Se considera que el tipo de suelo obtenido está en la frontera entre gravas arenosas y gravas arcillosas, por lo que se le asigna al suelo una mala calidad en cuanto al uso para la construcción.

Agradecimiento

Deseamos agradecer al CDCHTA de la Universidad de Los Andes, Mérida, por el financiamiento a esta investigación bajo el código I-1382-13-02-F, su contribución fue fundamental.

Referencias

Bieniawski, Z. (1976). The Geomechanics Classification in rock engineering aplications. In Proc. 4 th Int. Congr. Rock Mech., Montreux.

Casteletti, J. I. (1997). Nociones de mecánica de suelos Guía de Laboratorio. Mérida, Venezuela: Universidad de Los Andes.

Compton, R. (1985). Geology in the Field. Editorial John Wile & Sons.

Dirección de Cartografía Nacional (1977). Hoja Merida, Venezuela. Escala 100.000.

González de Vallejo, L. I., Ferrer, M., Ortuño, L., y Oteo, C. (2002). Ingeniería Geológica. Madrid: PEARSON EDUCACIÓN.

Ferrer, M., y Gonzalez, L., (2007). Manual de campo para la descripción y caracterización de macizos rocosos en afloramientos. Editorial Planeta Tierra. Instituto Geológico y Minero, Madrid – España. 134 p.

Hoek, E. & Brown, E. T. (1997). Practical estimate of Rock Mass strength. Intnl J. Rock Mech & Mining Sci. & Geomechanics Abstracts, 34(8). Pp 1165-1186.

Romana, M (1997). El Papel de las Clasificaciones Geomecanicas en el estudio de la inestabilidad de Taludes. IV Simposio Nacional sobre taludes y laderas inestables. III, pp 955-1011. Granada.

Salcedo, D (1978). El uso de las proyecciones hemisféricas como técnica de predicción y análisis de problemas relativos a estabilidad de taludes en macizos rocosos. Caracas, Universidad Central de Venezuela. Geología de Minas y Geofísica. 78 p.

Sönmer, H., y Ulusay, R., (2002). Discussion on the Hoek-Brown criteriori and suggested modification to the criterion verifield by slope stability case studies. Yerbillmieri, 26, 27-99.

The author(s) declare(s) that she/he/they has/have no conflict of interest related to hers/his/their publication(s), furthermore, the research reported in the article was carried out following ethical standards, likewise, the data used in the studies can be requested from the author(s), in the same way, all authors have contributed equally to this work, finally, we have read and understood the Declaration of Ethics and Malpractices.

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