FALLAS EN TUNELES

Universidad Privada del Norte
Facultad de Ingeniería y
Arquitectura
Ingeniería de Mina
DISEÑO Y ESTABILIDAD DE
TALUDES
Docente:
• Arturo Lino Z.
Alumnos:
• Jet Benel Cerna.
• Alex Marinovic Pulido.
• Wilmer Huamán Melendez.
• Santillan Llovera, Lennin

Principios básicos de falla de volteo
La falla al volteo es un mecanismo de falla muy común en macizos de roca y se
caracteriza por la inclinación de estructuras semi-verticalizadas como resultado de
la acción de la gravedad.
D I S E Ñ O Y E S T A B I L I D A D D E T A L U D E S

Importancia de las discontinuidades
Josef Stini fue uno de los pioneros de la mecánica de rocas
en Europa y él acentuó la importancia de las
discontinuidades estructurales controlando el
comportamiento de las masas de roca .

El análisis completo de estabilidad de un talud de roca depende en un
estudio detallado de las orientaciones y características de las
discontinuidades dentro de la masa de roca.
Los tipos de discontinuidades de roca normalmente encontrados
incluyen las fracturas, junturas, fallas, zonas de corte, planos de
estratificación, y foliaciones. Cada discontinuidad tiene características
tal como longitud, orientación, el espaciamiento, rugosidad de la
superficie, propiedades físicas de la roca adyacente, material de relleno
y condiciones de agua que se relacionan directamente a la
probabilidad de falla a lo largo de esa discontinuidad

Tipos de rotura considerados
Volteo por flexión
Dondequiera que se pueda ver una superficie expuesta a
lo largo de una falla, de un plano de estratificación, de
una diaclasa o de cualquier otra discontinuidad como en
(a)

Volteo por flexión de bloques
De la misma forma, las discontinuidades escalonadas
como en (b), sugieren que las columnas que sobreyacían,
pudieron fallar por volteo en el pasado, posiblemente
durante la etapa de construcción, por lo tanto, se
identifica una tendencia al volteo si las condiciones
geométricas se llegan a repetir.

Volteo de bloques
Es posible identificar varios tipos de grietas de tensión en
taludes. El movimiento de un bloque a lo largo de una
superficie de corte nueva o pre-existente, como en la
Figura, puede abrir una o más grietas lineales o arqueadas
como en (c).

Modos de falla por volteo secundario

En el deslizamiento por volteo en la base, ilustrado en Figura, la
transmisión de esfuerzos horizontales de cortante a lo largo de la base
de un deslizamiento incipiente, causa el volteo de los estratos con
buzamiento fuerte, que forman el cimiento al pie del deslizamiento, lo
cual desencadena la destrucción de los cantiles sobreyacentes.

2.3 Principios básicos de falla de volteo.
La falla al volteo es un mecanismo de falla
muy común en macizos de roca y se
caracteriza por la inclinación de estructuras
semi-verticalizadas como resultado de la
acción de la gravedad.
En masas de roca cristalina, la inclinación o
volteo puede ocurrir solamente si hay una
estructura (esquistosidad o foliación) con
buzamiento de alta pendiente y con un rumbo
o dirección más o menos paralelo a la
dirección general del talud

2.3.1. TIPOS DE VOLTEO
a) Inclinación a flexión
Este tipo de falla es común en
rocas foliadas o con capas delgadas
tales como las lutitas, las pizarras o
los esquistos. Cada capa trata de
inclinarse bajo su propio peso y
transfiere una fuerza hacia la capa
siguiente.

b) Inclinación de bloques
La inclinación de bloques es común en masas
rocosas, las cuales forman bloques columnares
o tabulares con un espaciamiento
relativamente ancho de discontinuidades.
La dirección del plano basal debe estar dentro
de aproximadamente 20° de la pendiente del
talud.

c) Volteo hacia atrás
El volteo hacia atrás ocurre en
bloques de gran tamaño y
relativamente esbeltos, con juntas
semiparalelas a la superficie del
terreno. El efecto es un
resbalamiento y giro hacia atrás de
los bloques sobre las
discontinuidades

d) Volteo múltiple
La presencia de grupos de
discontinuidades puede producir una
superficie de falla por volteo formando
una serie de caídos o flujos en escalera.
El fenómeno puede incluir fallas de
tensión y corte a lo largo de las
discontinuidades y a través de la roca
intacta, formando zonas de corte que no
son propiamente planos de falla, pero
que para el análisis se pueden asimilar a
las de una superficie semicontinua.

2.3.3. FACTORES QUE AFECTAN LA FALLA
La Litología y Estructura
Las fallas en macizos rocosos están
controladas por la interacción
combinada de la estructura y la
litología del macizo. Las
interrelaciones entre las fracturas y las
características geotécnicas son
generalmente muy complejas y en
ocasiones es difícil predecir el
comportamiento

Condiciones para Deslizamiento y Volteo
Las grietas en los macizos rocosos son el
resultado de deformaciones a gran escala en las
cuales ocurre relajación de energía y se
producen separaciones de grandes bloques de
roca. Se requiere caracterizar la grieta o el
sistema de grietas para poder predecir su
comportamiento futuro.
El análisis debe realizarse en tres dimensiones y
si es necesario se deben instrumentar para
poder presentar una hipótesis geodinámica,
incluyendo su comportamiento bajo eventos
sísmicos.

Efecto de las Presiones
Hidráulicas
Las presiones hidráulicas son de un
orden comparable de magnitud con los
esfuerzos de gravedad y generan fuerzas
importantes sobre las superficies de las
discontinuidades dentro de la masa
rocosa.
Adicionalmente, estas fuerzas hidráulicas
producen reducciones en los esfuerzos
efectivos, los cuales disminuyen la
resistencia al cortante al reducirse la
fricción en la discontinuidad.

Efecto de la Tectónica
Las condiciones de estabilidad de los taludes en
roca dependen principalmente de la estructura
del macizo, la orientación y frecuencia de las
discontinuidades, tanto de las juntas propiamente
dichas como de las intersecciones entre juntas.
Algunos autores mencionan el efecto de la
tectónica sobre la ocurrencia de deslizamientos

Resistencia de las Discontinuidades
La mayoría de los modos de falla en taludes en
roca incluyen deslizamiento y/o inclinación. En
ambos casos la resistencia al cortante de las
discontinuidades es crítica para el diseño de los
taludes en roca.
En macizos de roca relativamente fracturada o
muy fracturada, los cuales corresponden a la
mayoría de deslizamientos de taludes en roca; el
ángulo de fricción entre las paredes de la
discontinuidad es el parámetro más importante
para tener en cuenta en el diseño.

Á n g u l o s d e f r i c c i ó n t í p i c o s p a r a l a s
d i s c o n t i n u i d a d e s d e ma c i z o s r o c o s o s
Á n g u l o s d e f r i c c i ó n d e
d i s c o n t i n u i d a d e s t í p i c o s

2.3.4. INESTABILIDAD DE TALUDES
Los bloques de roca que se sueltan de la
fachada de un talud y caen por caída libre, a
golpes o rodando son una amenaza muy
importante, especialmente en vías de
comunicación.
Generalmente, los caídos se inician por un
cambio en las fuerzas que actúan sobre un
bloque o una masa de roca, estos cambios
de fuerzas están asociados con fenómenos
climáticos, eventos biológicos o actividades
de construcción.
Los tipos de eventos que producen caídas
son los siguientes:
Incremento de la presión de poros en las juntas
debido a la lluvia
Cambios de temperatura
Descomposición química de la roca en los
climas tropicales húmedos
Crecimiento de las raíces dentro de las juntas
Movimiento del viento
Vibraciones debidas a actividades de
construcción o voladuras
Sismos

FACTORES QUE AFECTAN LA DINÁMICA DEL
CAÍDO
Los factores más importantes que controlan la
trayectoria de caído de un bloque de roca son la
geometría del talud y el tipo de superficie de este
talud. Algunos taludes actúan como salto de esquí
y generan velocidades horizontales muy
significativas en el bloque de roca, aumentando en
forma importante la amenaza sobre la vía.
Las superficies de fachada de talud muy limpias
son peligrosas, debido a que tienen un alto
coeficiente de restitución y por lo tanto, no
retardan el movimiento del bloque que cae.

Geometría del talud.
De los factores geométricos la pendiente
del talud se considera crítica porque
define la aceleración y desaceleración de
los bloques de roca.
La longitud del talud determina la
distancia sobre la cual la roca acelera y
desacelera. Otro factor importante es la
interacción entre las irregularidades de la
superficie del terreno con el bloque de
roca. Estas irregularidades afectan la
variabilidad de los eventos.
Tamaño de los
bloques.
Como los bloques más grandes de roca
tienen mayor momentum, es menos
probable que se afecten por las
irregularidades del terreno. Por la razón
anterior, los bloques de mayor tamaño se
desplazan en mayores longitudes que los
bloques pequeños.
CAÍDO

Forma de los bloques.
Otro factor importante es la
forma de los bloques de roca.
La forma de la roca afecta la
distribución de los bloques en
forma similar que la rugosidad
de la superficie del talud.
Igualmente la forma de la roca
también influye sobre la parte
de energía que es de traslación y
la que es de rotación.
Fragilidad de la roca.
Una propiedad crítica de la roca
es su fragilidad, la cual determina
si el bloque se va a romper en el
impacto. La fragmentación de la
roca disipa una gran cantidad de
energía y disminuye el tamaño
individual de los bloques. El
tamaño de la roca tiene una
relación directa con la energía
cinética y el momentum.
CAÍDO

2.4. PROCEDIMIENTOS DE REMEDIACIÓN Y
2.4.1. Refuerzo mediante uso de
pernos
Los pernos son barras de refuerzo que se
cementan dentro de perforaciones formando
una dovela de concreto reforzada para prevenir
que se suelte un bloque de roca en la cresta de
un talud
El objetivo de los pernos es el de generar un
refuerzo o resistencia a la tensión dentro del
macizo, uniendo las discontinuidades. Los
pernos también pueden utilizarse para sostener
cables, mallas y otros elementos de soporte del
macizo.
ESTABILIZACIÓN

2.4. PROCEDIMIENTOS DE REMEDIACIÓN Y
ESTABILIZACIÓN
2.4.2. Refuerzo mediante anclajes
tensionados
Este método consiste en la colocación dentro
del macizo de roca y muy por debajo de la
superficie de falla real o potencial de una serie
de tirantes de acero anclados.
Los anclajes generan fuerzas de compresión
que aumentan la fricción y/o contrarrestan la
acción de las fuerzas desestabilizadoras. En
superficie las anclas se apoyan en platinas de
acero o en bloques o zapatas de concreto
armado, para permitir su anclaje y transmitir la
carga al suelo subsuperficial.

2.4. PROCEDIMIENTOS DE REMEDIACIÓN
Y ESTABILIZACIÓN
Refuerzo mediante uso de mallas
ancladas
Son mallas exteriores de alambre
galvanizado ancladas con pernos
para evitar la ocurrencia de
desprendimientos de bloques de
roca o material.
Las mallas deben usarse solamente
en los casos en que ésta queda en
contacto directo con la superficie
del talud para formar un contacto
continuo en toda el área protegida
de la fachada del talud.

2.4. PROCEDIMIENTOS DE REMEDIACIÓN
Y ESTABILIZACIÓN
2.4.4. Concreto Lanzado
Para minimizar el desprendimiento de
bloques y el deterioro de la superficie del
macizo puede utilizarse el concreto lanzado.
Se denomina concreto proyectado al mortero
colocado por bombeo a presión con
agregados hasta de 20 mm de diámetro.
El concreto generalmente, se aplica en capas
de 8 a 10 centímetros de espesor. Este
concreto ayuda a sostener los bloques del
macizo en su puesto, actuando como una
membrana soportada por la resistencia a la
tensión y al cortante del mortero.

2.6. EFECTO DE DRENAJE Y SUB DRENAJE EN
LA ESTABILIZACIÓN DE TALUDES
2.6.1. El Drenaje Superficial
El drenaje adecuado de la superficie
del talud disminuye la infiltración del
agua de escorrentía y permite
controlar los procesos de erosión.
Drenar las depresiones donde se
acumula agua, arriba de la cabeza del
talud.
Reconformar la superficie del talud y
del área arriba de la cabeza para
facilitar el flujo de la escorrentía

2.6. EFECTO DE DRENAJE Y SUB DRENAJE
EN LA ESTABILIZACIÓN DE TALUDES
2.6.2. Perforaciones de
Subdrenaje
El objetivo ideal de los subdrenes es bajar el
nivel freático y disminuir las presiones de
poros sobre las superficies potenciales de
falla. En macizos rocosos el sistema más
utilizado de drenaje es el de perforaciones o
subdrenes de penetración. Los subdrenes se
diseñan a profundidades por detrás de las
superficies potenciales de falla. La dirección
de las perforaciones depende esencialmente
de la localización de las discontinuidades
principales. El dren óptimo es el que
intercepta la mayor cantidad de
discontinuidades por metro longitudinal de
sub-dren

2.7. RETENCIÓN Y CONTROL DE FALLAS
2.7.1. Bermas
Los caídos tienden a saltar en las bermas y
alcanzar distancias horizontales mayores de
caída; sin embargo, el diseño de bermas
anchas puede ser muy útil para ciertos casos
de caída, especialmente de residuos de roca.
En rocas sedimentarias con estratificación
subhorizontal, las bermas intermedias
pueden ser efectivas si se localizan
coincidiendo con los cambios de litología.

2.7.2. Trincheras
Una trinchera o excavación en el pie
del talud puede impedir que la roca
afecte la calzada de una vía y
representa una solución muy efectiva
cuando existe espacio adecuado para
su construcción. Se requiere diseñar el
ancho, profundidad, pendiente y
capacidad de almacenamiento de la
trinchera. El ancho y profundidad de
las trincheras está relacionado con la
altura y la pendiente del talud

2.7.3. Barreras y Muros
Existe una gran variedad de barreras de
protección y sus características y
dimensiones dependen de la energía y
dinámica de los caídos. Las barreras
pueden ser de roca, suelo, tierra armada,
muros de concreto, pilotes, gaviones,
bloques de concreto o mallas y cables

PRINCIPIOS BASICOS
DEL DISEÑO DE
TALUDES

Análisis estructural de la zona a estudiar.
 La roca difiere de la mayoría de materiales
utilizados en obras de ingeniería porque contienen
fracturas de un tipo u otro que tipifican a la roca
como esencialmente discontinua. En tal sentido
debe diferenciarse entre el término de roca
intacta y macizo rocoso.
 Para evaluar la estabilidad de los taludes se debe
considerar sistemas de clasificación geomecánica
de los macizos rocosos. Existen sistemas de
clasificación como el sistema Q (Barton, 1974) y el
sistema RMR (Bieniawski, 1976) que han tenido una
amplia aceptación en las aplicaciones de
mecánica de rocas.

Clasificación de Bienamski:
 Es el sistema de valoración del macizo rocoso que fue
propuesta en 1973 y modificada en 1976, considera
seis parámetros importantes.
1. Resistencia de la roca intacta
2. R.Q.D.
3. Espaciamiento de diaclasas o discontinuidades.
4. Condición de las diaclasas o discontinuidades
(rugosidad, diaclasa, relleno).
5. Las condiciones del agua subterránea, dado por las
infiltraciones (seepages).
6. Orientación de las discontinuidades.

Información Lito-estructural
 Entre las principales informaciones lito-estructurales
que necesitamos son las
siguientes:
1. Planos de estratificación.
2. Plegamientos.
3. Fallas.
4. Zonas de corte.
5. Diques.
6. Diaclasas.

Caracterización del macizo rocoso
 La posición especial del tipo rocoso relativamente
determina una geometría del talud u otra
información importante para el estudio de
estabilidad, de modo que es esencial proceder a
los levantamientos geológicos detallados cuando
estos ocurren.

 Análisis de rocas:
Se obtendrán de los resultados obtenidos en el campo y
laboratorio.
 Propiedades Físicas:
- Orientación.
- Espaciamiento.
- Rugosidad.
 Propiedades Mecánicas:
- Persistencia.
- Apertura.
- Relleno.

 Aspectos Hidrogeológicos.
Es sabido que el efecto del agua constituye una principal razón de
deslizamientos de taludes y se puede resumir en cuatro partes:
1. A través de presencia hidrostática que el agua ejerce en las
paredes de las discontinuidades..
2. Actuando sobre la presencia de los poros de las diaclasas y de
sus materiales de desprendimiento, por mecanismos físicos y
químicos.
3. Disminuyendo la resistencia irregular de cizallamiento de rocas y
provocando una reducción en su resistencia a la compresión.
4. Provocando alteraciones en las rocas, que por una vez pueden
ocasionar elevadas presiones las cuales adicionadas a
resistencias biaxiales de los minerales de alteración, contribuyen
para su inestabilidad del macizo rocoso.

 Aspecto de Sismicidad.
- Al ocurrir un sismo intenso, los taludes y
laderas que naturalmente han tenido
factores de seguridad estáticos
relativamente bajos se deslizan.
- El deslizamiento de taludes y laderas puede
tener implicaciones que se extienden
desde abundantes problemas locales muy
menores, hasta otros lo suficientemente
graves como para que repercutan sobre la
economía de un país.

ESQUEMA TEÓRICO DE
ESTABILIDAD DE TALUDES
Modelo de gestión de taludes

EJEMPLO:
1
Estructura Rumbo Buzamiento
Talud 325 80°NE
Bloque 1 320 77° SW
2
3
4
Características del macizo rocoso son las siguientes:
• Tipo de roca: Caliza
• Resistencia a la comprensión uniaxial: 100 MPa
• Condición de agua subterránea: flujo de 0.2 l/m en
10 metros

Talud 325 80° NE

Talud 325 80° NE
Concentración
de polos
Dirección de talud

Talud 325 80° NE
Concentración
ZONA CRITICA (-20° +20°)
Dirección de talud de polos

Clasificación de RMR según Bieniawski
Sistema de valoración del
macizo Rocoso – RMR
(según Bieniawski, 1989)

1. Resistencia del material intacto valor máximo
Según dato: la resistencia de carga puntual es 100 Mpa, según
sistema de valoración del macizo Rocoso – RMR (según
Bieniawski, 1989), la valoración (a) de roca intacta= 7
2. R.Q.D. valor máximo
Jv, número de discontinuidades por unidad de longitud de todas las
familias de discontinuidades, para el ejemplo asumiré 12 fracturas
por metro, aplicando la fórmula de RQD, tenemos:
RQD= 115-3.3*Jv
RQD=115-3.3*12
RQD= 115-39.6
RQD= 75.4
Para un porcentaje de 75.4, y de manera conservadora, se
considera una valoración RMR igual a 13.
RQD
Jv
Fracturas/metr
o
RQD %
Valuación RMR
De A De A
5 8 90 100 20
8 12 75 90 17
12 20 50 75 13
20 27 25 50 8
27 > 27 0 25 3

3. Distancia entre las discontinuidades valor
máximo
Se considera un espaciamiento entre
discontinuidades de 0.50, por lo tanto la valoración es
de 10
4. Condición de las discontinuidades valor
máximo
Aperturas mayores a 5mm, valoración 0
5. Agua subterránea valor máximo
Considerando un flujo de 0.2 l/m en 10 metros,
valoración 07.

a. Resistencia del material intacto valor máximo 7
b. R.Q.D. valor máximo 13
c. Distancia entre las discontinuidades valor máximo 10
d. Condición de las discontinuidades valor máximo 0
e. Agua subterránea valor máximo 7
Valor RMR 37
Finalmente el RMR es 37, que de acuerdo a la tabla, es una roca MALA
clase IV que requeriría sostenimiento, pues no se autosostiene.

FACTOR DE SEGURIDAD
Para calcular el factor de seguridad se calcula el Angulo de fricción requerido
para que el bloque sea estable
tan
tan
disponible
requerido
FS



Agua. La presión de poros disminuye la resistencia a la fricción.

Conclusiones
• Para la identificación de potenciales fallas, es clave el
conocimiento de proyecciones estereográficas, como
profesionales en el rubro minero es importante conocer los
criterios de mapeos geotécnicos, software de dibujo de
proyecciones y sobre todo la interpretación de éstos, luego de
identificar las potenciales fallas, brindar soluciones basados en
criterios ingenieriles que puedan controlar y/o minimizar los
efectos por posibles caídos o deslizamientos.
• Las alternativas de control a implantar-ante posibles fallas-deberán
estar orientadas a reducir el riesgo de posibles caídos ó
deslizamientos, el tipo de solución a implantar esta en función de
los recursos económicos que se cuenten, é ahí el gran reto del
ingeniero, dar soluciones eficientes dentro de presupuestos
muchas veces menores a los necesarios.

Recomendaciones
Es importante estudiar y analizar todos los factores necesarios para
interpretar con exactitud el comportamiento geotécnico de la zona a
evaluar; ya que de estos resultados se hace el análisis para el
diseño del talud ideal y en otros casos el sistema de sostenimiento
que se ajuste a lo requerido. Estas variables permiten determinar el
número de fracturas tensionales y los deslizamientos.

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