Aplicación de nuevas metodologías de adquisición de datos para el análisis de estabilidad de taludescasos de estudio en materiales foliados de la cordillera Bética

Resumen

Esta tesis doctoral propone mejoras en el proceso de diagnóstico de estabilidad de taludes rocosos. Éste es un tema de especial importancia en regiones montañosas en las que afloran materiales débiles, como es el caso de la Alpujarra, en el sur de España, en la que se han dado numerosos casos de inestabilidad en taludes carreteros compuestos de material foliado débil. La toma de datos en un talud rocoso en pro de estudiar su estabilidad, la "estación geomecánica" (ISRM, 1978), supone un proceso tedioso, complejo y sujeto, en general, a un importante sesgo de muestreo como consecuencia de la subjetividad del evaluador. La fiabilidad del diagnóstico de la estabilidad del talud mediante una "clasificación geomecánica" dependerá, pues, de la calidad de la estación geomecánica que lo precede. Los parámetros que influyen en la estabilidad de un talud son diversos. Influye la disposición geométrica de las discontinuidades o planos de debilidad en el macizo rocoso en relación al talud. Asimismo influye el estado de las paredes de dichas discontinuidades; cómo de rugosas son, cómo de alteradas y abiertas se presentan y qué "relleno" aparece en ellas. Adicionalmente intervienen otros factores como la presencia de agua. Esta tesis doctoral encara la estación geomecánica de manera global; proponiendo una metodología integrada que la agiliza y reduce el sesgo de muestreo por la subjetividad del evaluador. Es por ello que se estudian diversos aspectos de los macizos rocosos; la disposición geométrica de sus discontinuidades y la rugosidad de las paredes de ésta. Para la adquisición de los datos geométricos de las discontinuidades este trabajo propone un método sencillo de aplicación de la fotogrametría digital terrestre (TDP). Dicha propuesta puede ser aplicada por una sola persona, y sin necesidad de dispositivo GPS ni ningún otro equipamiento costoso o voluminoso. Para el muestreo de la rugosidad rocosa la tesis doctoral propone un nuevo método de digitalización de perfiles de roca para posteriormente adquirir los parámetros de rugosidad más relevantes entre los ya existentes. Dichos parámetros son descripciones cuantitativas de la rugosidad cuyo objetivo es estimar la influencia de dicha rugosidad en la estabilidad final del talud. Frente a los costosos perfilómetros láser y otros equipamientos, el método propuesto de digitalización de perfiles no requiere más que material barato, de fácil adquisición y transporte: una cámara de fotos convencional, un perfilómetro de agujas, también llamado peine de Barton en el ambiente geotécnico, una lámina translúcida, basta un recipiente hermético de cocina, y un equipo informático convencional. Se realiza una foto a contraluz del perfilómetro tras haber sido éste ajustado a la superficie rocosa. La fotografía es leída por un algoritmo informático que proporciona: la media cuadrática de inclinaciones, (Z2) (Myers, 1962), el "roughness profile index", (Rp) (Maerz et al., 1990), la dimensión fractal (D) a través del método del divisor (Lee et al., 1990), y la función L(t*) (Tatone y Grasselli, 2009, 2010). A través de cada uno de éstos puede estimarse el "joint roughness coefficient" (JRC), un parámetro muy empleado que aparece en el criterio de resistencia a cortante de Barton y Choubey (1977). Todo este proceso ha sido validado gracias a la fabricación de moldes a partir de vectores con una máquina de guiado de precisión; se les aplicó el procedimiento propuesto a dichos moldes artificiales y se compararon los vectores reconstruidos con los originales con los que se habían construido los moldes. Asimismo, este proceso supone una técnica automatizada y objetiva frente al tradicional y aún habitual proceso de estimación visual de JRC (Barton y Choubey, 1977). No obstante, dado que dicho proceso de estimación visual es muy frecuente, en el trabajo de la tesis se realizó una encuesta a 90 personas a las que se les pidió que estimaran visualmente la JRC de 12 perfiles tal y como propusieron Barton y Choubey (1977) mediante la presentación de diez perfiles típicos. Tras esa encuesta, además de corroborar la falta de fiabilidad de dicho procedimiento, se mostraron algunas desviaciones sistemáticas de los evaluadores que se muestran como consejos a ser tenidos en cuenta a la hora de realizar la estimación visual. Tal es así el caso de los perfiles escalonados de pequeña amplitud, a los que los evaluadores tienden a asignar un JRC menor del que deberían. Asimismo quedó de manifiesto que los diez perfiles típicos de Barton son una base de datos insuficiente, especialmente para evaluar perfiles escalonados. Las dos propuestas que centran dicha tesis, la de TDP y la de digitalización de perfiles de roca, fueron aplicadas en una campaña experimental en taludes del Complejo Alpujárride mostrando la velocidad, objetividad y fiabilidad que pueden conseguirse gracias a dichas propuestas, y cómo éstas pueden integrarse para aplicar la clasificación geomecánica "slope mass rating" (SMR) (Romana, 1985) y con ello diagnosticar la estabilidad del talud. Por otro lado, para profundizar en la relación entre los parámetros geométricos de la superficie de una discontinuidad rocosa y su comportamiento a cortante, la tesis incluye 4 ensayos de corte directo sobre muestras de grandes dimensiones. Las muestras eran parejas de réplicas de una roca de perfil escalonado; las 4 parejas iguales. Dichas superficies fueron digitalizadas y posteriormente ensayadas a cortante. El comportamiento a cortante y los parámetros geométricos se compararon. Para completar el estudio se han realizado otro tipo de ensayos; ultrasónicos, tilt test y el rebote del esclerómetro. Con los ultrasónicos se estudió la anisotropía de dos tipos de esquistos comunes en el Complejo Alpujárride y con el esclerómetro se mostró la dificultad de su aplicación a materiales con una foliación tan marcada. Por otro lado, el tilt test se aplicó mediante la propuesta de Stimpson (1981), considerándola la más correcta, y se encontró una errata en la formulación original que está provocando, en los trabajos presentados empleando dicho método, valores del ángulo básico de rozamiento un 33% superiores a los que darían empleando la formulación corregida que se muestra en esta tesis. Las conclusiones del presente trabajo son óptimas en lo referente a los métodos presentados. El procedimiento de aplicación de la TDP, pese a ser más sencillo que otros procedimientos presentados en la literatura, es exitoso; permite la obtención de modelos digitales del terreno y proporciona valores fiables. Por otro lado, el proceso de digitalización de perfiles rocosos muestra, gracias a su validación, cómo, para perfiles no muy lisos, los resultados que proporciona son fiables. En la aplicación de estos procedimientos, y en la campaña experimental en general, se han obtenido otras conclusiones sobre la naturaleza de las rocas en lo referente a su influencia en la estabilidad de taludes. Cabe destacar cómo el parámetro Z2 no es indicado para describir superficies rocosas escalonadas, para las cuales, la dimensión fractal D calculada mediante el método del divisor proporciona valores fiables pese a no ser muy indicada para el resto de rocas en general, siendo Rp el único parámetro que presenta un comportamiento polivalente. REFERENCIAS N. Barton and V. Choubey. "The shear strength of rock joints in theory and practice". Rock Mechanics and Rock Engineering, 10:1-54, 1977. ISSN 0723-2632. ISRM. "International Society for Rock Mechanics commission on standardization of laboratory and field tests: Suggested methods for the quantitative description of discontinuities in rock masses". International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 15(6):319-368, 1978. ISSN 0148-9062. Y.-H. Lee, J.R. Carr, D.J. Barr, and C.J. Haas. "The fractal dimension as a measure of the roughness of rock discontinuity profiles". International Journal of Rock Mechanics and Mi- ning Sciences & Geomechanics Abstracts, 27(6):453-464, 1990. ISSN 0148-9062. N.H. Maerz, J.A. Franklin, and C.P. Bennett. "Joint roughness measurement using shadow profilometry". International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 27(5):329-343, 1990. ISSN 0148-9062. N.O. Myers. "Characterization of surface roughness". Wear, 5(3):182-189, 1962. ISSN 0043-1648. M. Romana. "New adjustments ratings for application of Bieniawski classiffication to slopes". In Int. Symp. on the Role of Rock Mechanics, pages 49-53, Zacatecas, 1985. ISRM. B. Stimpson. "A suggested technique for determining the basic friction angle of rock surfaces using core". International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanical Abstracts, 18:63-65, 1981. B. Tatone and G. Grasselli. "A method to evaluate the 3D roughness of fracture surface in brittle geo-materials". Review of Scientific Instruments, 80(125110), 2009. Bryan S.A. Tatone and Giovanni Grasselli. "A new 2D discontinuity roughness parameter and its correlation with JRC". International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 47(8):1391 - 1400, 2010. ISSN 1365-1609.