Criterios
de diseńo de estabilidad de taludes en coluviales de bloques (Bimrock o block in matrix=
)
Design criteria for stability of slope in block coluv=
ials
(Bimrock or block in matrix).
Joao Andrés Pasato Jarro. [1],
Gregory Guillermo Cuesta Andrade. [2],
Santiago Nathanael Toapanta Santacruz. [3] &=
amp;
Jenny Priscila Granja Carrera. [4]
Recibido: 15-04-2019 / Revisado: 25-05-2019 /Aceptado:29-06-2019/
Publicado:15-07-2019
This reseach tries to =
enable
the calculation method for the stability of slopes in colluvial materials (=
Bimrocks or blocks in matrix) that have been studied =
by
several authors in the last years, applied to heterogeneous terrains in
tropical and mountainous areas, such as those located in the state of Jambu and Kashmir in India.
Through the use of different graphs, which are the
result of several investigations, the methodology is developed that allow to
obtain mechanical properties of a slope such as: cohesion (c), friction (φ) and resistance to simple compression (UCS) from =
of
the resistant parameters of the matrix. The graphs show the relation between
the volumetric blocks proportion (=
VBP)
and the different increments of (c), (φ<=
span
lang=3DEN-US style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times =
New Roman",serif;
mso-ansi-language:EN-US'>) and (UCS), improving the mechanical properties of
the slope.
To validate the methodology of the calculation met=
hod,
a slope analysis was performed by the finite element method (M.E.F), observ=
ing
the best results to fit the current situation of the slope (stable). The
relevant models for this investiga=
tion
are: the Lindquist model (1994) and the Sonmez =
model
(2009); where the Safety Factors greater than 1 were obtained in dry and
critical conditions.
Keywords: Bimrock, blocks in matrix, slope, cohesion, friction,
uniaxial compression resistance, finite element method (M.E.F).
Resumen.
El
presente trabajo intenta habilitar el método de cálculo para la estabilidad=
de
taludes en materiales coluviales (Bimrocks o blocks in matrix) que han sido
estudiados por varios autores en estos últimos ańos, aplicados a terrenos
heterogéneos en zonas tropicales y montańosas, como los que se encuentran
ubicados en el estado de Jambu y Kashmir en la India.
Mediante
la utilización de diferentes gráficos, que son el resultado de varias
investigaciones, se desarrolla la metodología que permite obtener propiedad=
es
mecánicas de un talud como son: cohesión (c), fricción (φ) y resistenc=
ia a
la compresión simple (UCS) a partir de los parámetros resistentes de la mat=
riz.
Los gráficos muestran la relación entre la proporción volumétrica de bloques
(VBP) y los diferentes incrementos de (c), (φ) y (UCS), mejorando de e=
sta
manera las propiedades mecánicas del talud.
Para
validar la metodología de cálculo, se realizó el análisis de un talud por el
método de elementos finitos (M.E.F), observando de esta manera los resultad=
os
que mejor se ajustan a la situación actual del talud (estable). Los modelos=
que
resultaron relevantes para esta investigación fueron: el modelo de Lindquist
(1994) y el modelo de Sonmez (2009); donde se obtuvieron factores de seguri=
dad
mayores que 1 en condiciones secas y críticas.
Palabras claves: Bimrock, bloques en
matriz, talud, cohesión, fricción, resistencia a la compresión uniaxial, mé=
todo
de elementos finitos (M.E.F).
Introducción.
Los materiales coluviales que se e=
ncuentran
ubicados en los terrenos montańosos del estado de Jammu y Kashmir, pertenec=
en
al grupo de los bimrocks. Estan compuestos por mezclas de roca dura y matri=
z de
arcilla blanda, generalmente fallados ya que se encuentran en las estribaci=
ones
de la cordillera Himalaya a una altura de 1200 msnm aproximadamente, debido=
a
la amplia distribución de estos materiales en la naturaleza es inevitable el
diseńo y construcción de obras de ingeniería sobre estos materiales por lo
tanto es importante conocer el proceso de rotura y mecanismos relacionado c=
on
estos materiales, para el análisis de problemas como es la estabilidad de
taludes.
Existen procesos geológicos complejos donde =
se
observan geo materiales (roca o su=
elo).
Estas mezclas de materiales se conoce comúnmente como bimrocks, bloques de
rocas incrustados en una matriz más débil Medley (1994), o Stiff rock soil
mixture, mezcla de roca rígida y suelo (Afifipour and Moarefvand, 2012).
Son mezclas de rocas, compuestas de bloques
geotécnicamente significativos, dentro de una matriz de textura más fina
(Medley & Sanz, 2003). Significa que los bloques deben ser más fuertes =
que
la matriz.
Figura 1. Bimrocks típicos<=
/span>.
(Afifipour and Moarefvand<=
/span>,
2012).
Lindquist (1994) y Sonmez et al.
(2006) estudiaron los efectos de los factores importantes en el comportamie=
nto
mecánico de bimrocks a través de pruebas de laboratorio sobre muestras
artificiales con diferentes proporciones volumétricas de bloques, obteniend=
o un
patrón de rotura dominante que pasa generalmente alrededor de los bloques,
formando una superficie de rotura tortuosa. Barbero et al. (2008) Realizaron
simulaciones en 3D con elementos finitos de ensayos a compresión sobre bimr=
ocks
con el objeto de comprender el comportamiento mecánico de estos materiales,
realizando modelos con diferentes proporciones volumétricas de bloques,
demostrando que la proporción granulométrica,
la orientación y la forma de los bloques, son los factores principal=
es
para la estimación de sus propiedades mecánicas.
Metodología.
El análisis de la estabilidad del talud se
realizó utilizando el software de elementos finitos Phase2 v8.014. Que perm=
ite
considerar criterios de rotura entre la roca y suelo en combinación con pro=
piedades
elásticas e hidráulicas de los diferentes materiales del modelo. El análisi=
s de
estabilidad del talud se realizó con los parámetros resistentes mejorados p=
ara
el coluvial, obtenidos de la metodología bimrock. Y se calculó bajo condici=
ones
secas y en condiciones críticas (saturado y sismo). Donde se pretende obten=
er
factores de seguridad de 1.3 en condiciones secas y ≥ 1 en condiciones
críticas.
Obtención del porcentaje
volumetrico de bloques (VBP).
La proporción volumétrica de los bloques (VB=
P),
se obtiene mediante el mapeo en 2D del frente del talud (Figura 2). La imag=
en
de la izquierda es la fotografía d=
el
afloramiento con un mallado de 20 x 20 cm y las imágenes de la derecha son =
el
resultado del análisis de la fotografía. Obteniendo un área total del
afloramiento 29.53 m2, área de los bloques de 8.90 m2 y área de la matriz de 20.63m2 y así una =
VBP =3D
30.14 %.
Incremento
del ángulo de fricción según Lindquist, 1994.
La Figura (3), muestra el incremento del áng=
ulo
fricción del bimrock (coluvial) con respecto a la proporción volumétrica de
bloques. De acuerdo con los resultados de la tesis mencionada por Lindquist
(1994), sobre la base de ensayos triaxiales de mezclas reconstruidas.
Incremento de la cohesión After Irfan & =
Tang
1993
La figura (4), muestra el incremento de cohe=
sión
del bimrock con respecto al incremento de fricción propuesto por Irfan y Ta=
ng
1993, sobre la base de sus ensayos.
Incremento de la fricción según Afther Irfan
& Tang 1993.
En referencia a las publicaciones de After=
Irfan
& Tang (1993), para estimar los parámetros de bimrocks. Muestra los
incrementos de fricción con respecto al contenido volumétrico de la fracción
gruesa, de acuerdo a los resultados obtenidos de ensayos de laboratorio de
diferentes autores.
Incremento del ángulo de friccion interno se=
gún
Sonmez 2009.
La publicación por Sonmez =
et
al. (2009), en relación al Euro rock 2009 y basado en la compilación de
resultados Lindquist (1994), propuso una ley de incremento de fricción tal =
como
se establece a continuación
Figura <=
/b>6.
Incremento de la resistencia a la compresión
simple (UCS) según Sonmez 2009
La resistencia a la compre=
sión
simple del bimrock (UCS bimrock) se obtiene mediante la fórmula que se mues=
tra
a continuación, donde depende principalmente del Factor A, Proporción volum=
étrica
de bloques y la UCS matriz
Figura <=
/b>7.
Dónde:
a: Ángulo de reposo de los bloques (3=
5° -
40°).
A: elemento constante que compara el
porcentaje de bloque con la resistencia a la compresión.
|
Descripción |
A |
|
Casi ninguna adherencia (cohesión) en=
tre
el bloque en la matriz con los bloques redondeados. |
0 |
|
Adhesión débil (cohesión) entre el bl=
oque
y la matriz con los bloques semi-redondeado. |
10 |
|
Adhesión moderada (cohesión) entre el
bloque y la matriz con los bloques semi-angulares. |
50 |
|
Fuerte adhesión (pero menos que la
cohesión de la matriz) entre el bloque y la matriz con bloques angulares.=
|
500 |
Utilizando las
siguientes fórmulas empíricas propuestas por (Sonmez et al, 2009).
Significa que los parámetros c y f
que pueden usarse en un Bimrock, p=
ueden
ser obtenidos a partir de correlaciones o ensayos de laboratorio de acuerdo=
con
los siguientes parámetros:
UCS matriz (Ensayos de
laboratorio o correlaciones).
VBP (porcentaje volumétrico de bloques)
f Matriz (Ensayos de laboratorio o correlaciones)
c Matriz (Ensayos de laboratorio o correlacio=
nes).
Para aplicar la metodología bimrock se consi=
dero
los parámetros resistentes de la matriz arcillosa del talud: cohesión de 1.=
32
t/m2 (13 kPa), ángulo de rozamiento interno (f) igual a 28° y resistencia a la compresi=
ón
simple (UCS) de 25 - 50 KPa o (0.025 - 0.05 MPa).
Parámetros geotécnicos obtenidos de la metodología
bimrock.
Los parámetros geotécnicos=
del
coluvial se resumen a continuación (tabla 2), donde muestra los valores
mejorados de cohesión, fricción y la resistencia a la compresión simple par=
a el
talud, obtenidos mediante la metodología bimrock.
|
Parámetros
Geotécnicos Para Bimrocks |
||||||||||
|
Modelo |
Autores, Ens=
ayo
o Formulación |
VBP (%) |
Matriz (Arci=
lla) |
Parámetros
Resistentes del coluvial (Bimrock). |
||||||
|
C (MPa) |
(φ) ° |
UCS (MPa) |
Δ de |
(φ)° |
Δ de C
(MPa) Irfan y Tang 1993 |
C (MPa) |
UCS (MPa) |
|||
|
Lindquist (1=
994) |
Lindquist (1=
994) |
30 |
0,013 |
28 |
- |
2,5 |
31 |
0,0045 |
0,0175 |
- |
|
Irfan and Ta=
ng
(1993) |
2,5 |
31 |
0,0045 |
0,0175 |
- |
|||||
|
Scott Dam
melange |
12 |
40 |
0,0019 |
0,0149 |
- |
|||||
|
After Irfan
& Tang (1993). |
Ensayos de c=
orte
directo |
30 |
0,013 |
28 |
- |
14 |
42 |
0,001 |
0,014 |
- |
|
Modelo teóri=
co |
7 |
35 |
0,003 |
0,016 |
- |
|||||
|
Holtz &
Gibbs (1956) |
7 |
35 |
0,003 |
0,016 |
- |
|||||
|
Ensayos
triaxiales ICU - AGG series |
4 |
32 |
0,0039 |
0,0169 |
- |
|||||
|
GCO (1981).<= o:p> |
3 |
31 |
0,004 |
0,017 |
- |
|||||
|
Sonmez (2009=
) |
Altinsoy (20=
06) |
30 |
- |
28 |
0,043 |
13 |
41 |
-0.0042 |
0,0088 |
0,038 |
|
Lindquist (1=
994)
|
||||||||||
|
Scott dam
melange |
En las
siguientes figuras (8-9) se puede observar de manera mas clara los diferent=
es
incrementos de cohesión y fricción obtenidos de acuerdo a los autores
propuestos en la metodologia bimrock.
Figura 8. Incrementos de Cohesión de la metodol=
ogía
Bimrock.
De los tres modelos propuestos (Zonmez 2009,
After Irfan & Tang 1993 y Lindquist 1994), solo ciertos autores generan=
incrementos
de cohesión notables como por ejemplo: Lindquist 1994 - Irfan & Tang 19=
93
que muestran un incremento de 0.0045 MPa (4.5 KPa).
Por otro lado se observa tambien que se puede
obtener incrementos de fricción bastante considerables de hasta 14⁰ s=
egún
los resultados obtenidos de los ensayos de corte directo de After Irfan &am=
p;
tang (1993).
A continuación se presenta los parámetros
geotécnicos del talud utilizados para el cálculo de estabilidad (Tabla 3).
Donde los distintos valores mejorados de cohesión y fricción se tomaran de =
la
metodología bimrock aplicada anteriormente.
|
Parámetros
geotécnicos utilizados para el cálculo de estabilidad |
||||||||
|
Material |
Grupo geotéc=
nico |
Peso específ=
ico
(MN/m3) |
cohesión (MP=
a) |
Ficción ( =
81;) |
UCS (MPa) |
E (MPa) |
ν |
Dilatancia &=
#1136;
(°) |
|
1 |
Bimrock (Coluvial) |
0,019 |
- |
- |
0.038 |
30 |
0,3 |
ϕ/2 |
|
2 |
Rock mass |
0,026 |
0,229 |
49 |
|
910 |
0,3 |
15 |
Resultados
se presenta el mallado del modelo de element=
os finitos
utilizado para los cálculos de estabilidad, bajo condiciones secas. Donde se
introdujo el plano de falla con una forma tortuosa, que coincide con el
contacto entre las dos unidades
geológicas (Coluvial y macizo rocoso.)
Condiciones críticas (saturación y sismo).
De la misma manera se muestra el mallado del
modelo de elementos finitos utilizado para los cálculos de estabilidad bajo
condiciones críticas (saturadas y sísmicas). Cabe seńalar que la forma de la
capa freática se estima siguiendo las condiciones de permeabilidad de los
materiales, simulado perfectamente en el modelo (Figura 11). Los factores
sismicos fueron tomados de un estudio sismico realizado en la zona.
Las siguientes figuras (12-13), muestran los=
factores
de seguridad obtenidos al aplicar la metodología bimrock en condiciones sec=
as y
en condiciones críticas (con saturacion y sismo). Las bandas rojas muestran=
los
FS estables de acuerdo a cada condicion, y las bandas celestes muestran los=
FS
que no cumplen con la situacion actual del Talud. Obteniendo de esta manera=
los
diferentes modelos de acuerdo a sus autores que son aplicables a la zona de
estudio.
Discusión
De acuerdo a los modelos aplicados en la metodol=
ogía
bimrock, los autores que mejor se ajustan a la situación actual del talud y
siendo válida su aplicación a terrenos Bimrock (de avalancha y coluviales) =
de
Jammu y Kashmir son los siguientes autores:
ˇ&nb=
sp;
Del modelo de Lindquist
(1994), la tendencia de Scott Dam melange con un Δ φ =3D 12° y un
Δ c =3D 1.9 kPa. Presentan F. S. estables en condiciones secas =3D 1.5=
y en
condiciones críticas =3D 1.12.
ˇ&nb=
sp;
Del modelo de After Irfan & Tang (1993), los
resultados de ensayos de corte presentan un Δ φ =3D 14 y un Δ=
; c =3D
1 kPa. Obteniéndose un F. S. en condiciones secas =3D 1.6 y en condiciones
críticas =3D 1.17; Sus modelos teóricos, y la tendencia de Holtz & Gibbs
(1956) presentan un incremento Δ φ =3D 7 y un Δ c =3D 3 kPa,
obteniendo un F. S. en condiciones secas de 1.3 y en condiciones críticas 0=
.97.
ˇ&nb=
sp;
De acuerdo al modelo de Sonmez (2009), se obtuvo=
un
Δ φ =3D 13 y una disminución de la cohesión c =3D - 4.2 kPa. Obte=
niéndose
un F. S. en condiciones secas =3D 1.46 y en condiciones críticas =3D 1.07
Los modelos que no se ajustan al talud actual y
siendo no válidos para su aplicación a terrenos bimrock de Jammu y Kashmir =
ya
que son muy conservadores son los siguientes:
ˇ&nb=
sp;
Del modelo de Lindquist (1994),
las tendencia conservadora de Lindquist (1994), Irfan y Tang (1993), muestr=
an
un Δ φ =3D 2.5 y Δ c =3D 4.5 kPa. Obteniendo un F.S. en cond=
iciones
secas =3D 1.17 y en condiciones críticas =3D 0.85.
ˇ&nb=
sp;
Del modelo de After Irfan & Tang (1993), la
tendencia obtenida de los ensayos triaxiales ICU - AGG series, muestra un
Δ φ =3D 4 y Δ c =3D 3.9 kPa. Obteniendo un F.S. en condicion=
es secas
de 1.12 y en condiciones críticas =3D 0.87 y de acuerdo a la tendencia obte=
nida
de GCO (1981), muestra un Δ φ =3D 3 y Δ c =3D 4 kPa. Obtenie=
ndo un
FS en condiciones secas de 1.16 y en condiciones críticas =3D 0.83
Observándose que los Factores de Seguridad en
condiciones secas son ≤ 1.3 y en condiciones críticas se encuentran p=
or
debajo de la unidad.
Conclusiones.
ˇ&nb=
sp;
ˇ&nb=
sp;
ˇ&nb=
sp;
ˇ&nb=
sp;
ˇ&nb=
sp;
ˇ =
La
metodología descrita en esta investigación es utilizable en terrenos
heterogéneos de zonas tropicales y montańosas, por lo que podría ser replic=
able
en ciertas zonas de Ecuador, ya que presenta características similares a los
terrenos de la India.
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scale-inedpendence of some Franciscan. Rock Mechanics Proceedings of the 35th U.S. Symposium, 10.<=
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Rock and Karst. Sonmez, H., Altinsoy, H., Gokceo=
glu,
C., Medley, E.W. (2006): Considert=
ions
in Developing an Empirical Atrength Criterion for Bimrocks.
PARA CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
<=
span
style=3D'color:windowtext !msorm;mso-color-alt:windowtext !msorm'>Pasato=
Jarro, J., Cuesta
Andrade, G., Toapanta Santacruz, S., & Granja Carrera, J. (2019). Crite=
rios
de diseńo de estabilidad de taludes en coluviales de bloques (Bimrock o block in matrix=
). Ciencia
Digital, 3(3.1), 143-157. =
https://doi.org/10.33262/cienciadigital.v3i3.1.682=
El artículo que se
publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente
reflejan el pensamiento de la Revi=
sta
Ciencia Digital.
El
artículo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
=
=
[1] Escuela Superio=
r Politécnica
de Chimborazo, Facultad de Recursos Naturales. Macas, Ecuador.
joao.pasato@espoch.edu.ec
[2=
]
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Recu=
rsos
Naturales. Macas, Ecuador.
gregory.cuesta@espoch.edu.ec
[3] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Recursos Naturales. Macas, Ecuador. Santiago.toapanta@espoch.edu.ec
[4] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Recursos Naturales. Macas, Ecuador. Jenny.granja@espoch.edu.ec
www.cienciadigital.org =
Vol. 3, N°3.1, p. 143-157, j=
ulio -
septiembre, 201