ppi 201502ZU4659
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ISSN 0254-0770 / Depósito legal pp 197802ZU38
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
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DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA
REVISTA TÉCNICAREVISTA TÉCNICA
“Buscar la verdad y aanzar
los valores transcendentales”,
misión de las universidades en
su artículo primero, inspirado
en los principios humanísticos.
Ley de Universidades 8 de
septiembre de 1970.
“Buscar la verdad y aanzar
los valores transcendentales”,
misión de las universidades en
su artículo primero, inspirado
en los principios humanísticos.
Ley de Universidades 8 de
septiembre de 1970.
VOLUMEN ESPECIAL 2020 No.2
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04-110
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, 62-68
Geomechanical characterization of basaltic rock slopes on
the southern coast of Ecuador: implications on its stability
Kervin Chunga1* , David Stay Coello2, María Quiñónez Macias3, Néstor Cahuana4, Isela
Salinas Baquero5, Carlos Villacreses Viteri1
1Universidad Técnica de Manabí, Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y Químicas, Departamento de
Construcciones Civiles, Av. José María Urbina, Portoviejo 130111, Ecuador
2Universidad de Guayaquil, Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas, Cdla. Universitaria “Salvador Allende”,
Guayaquil 090514, Ecuador
3Servicio Nacional de Gestión de Riesgos y Emergencias, Dirección de Análisis de Riesgos, km 0,5 vía La
Puntilla, Samborondón 092301, Ecuador
4GEAS Geophysical Services, Guayaquil 090514, Ecuador
5Universidad Estatal Península de Santa Elena, Facultad de Ciencias de la Ingeniería, km 1 vía La Libertad
240350, Ecuador
*Autor de correspondencia:kchunga@utm.edu.ec
https://doi.org/10.22209/rt.ve202020n2a09
Recepción: 13/03/2020 | Aceptación: 05/06/2020 | Publicación: 31/07/2020
Abstract
A high amount of slope failures along hill cut road slopes is located in the Daule canton. For the current study, a
32 m high, basaltic road cut hill slope at the Cerro San José site, which is situated close to the city of Guayaquil, has been
considered for assessment of the slope stability. This has been based on the inherent rock strength parameters, discontinuity
orientation, and stereographic projection technique. Seismic accelerations of 0.21-0.33 g were determined from local active
geological faults. The geotechnical parameters were given for basalt rock according to the Mohr-Coulomb and Hoek-Brown
of 110-240 Mpa and P-wave velocity of 4 to 6.8 km/s. Within the rock mass, the slope angle tends to be unfavorable to the
discontinuities, establishing unstable and partially stable slopes of class III/IV. Therefore, it is suggested to modify the slope
angle up of 55 degrees, which increased the safety factor and reduces failure probability. The obtained analyses provided
fundamental information in basalt slope stability studies and suggest the employment of instant preventive measures in
order to alert further risk of damage to transients and buildings.
Keywords: slope stability analysis; stereographic projection; rock slope; basalt.
Caracterización geomecánica de taludes de roca basáltica en
la costa sur de Ecuador: implicaciones en su estabilidad
Resumen
Los cortes de taludes en rocas basálticas afectan algunos tramos de carreteras en el cantón Daule. Este estudio
comprende un corte de talud de 32 m de altura en el cerro San José (norte de Guayaquil), resistencia a la comprensión
geomecánica de la estabilidad del talud. La aceleración sísmica de 0,21-0,33 g fueron determinadas desde análisis de fallas
activas cercanas al sitio. Los parámetros geotécnicos fueron obtenidos desde los criterios de Mohr-Coulomb y Hoek-Brown,
con ángulo de fricción de 37°, cohesión entre 4,5-7,8 Mpa, resistencia a la roca intacta de 110-240 Mpa, y velocidades de ondas
P de 4,0 a 6,8 km/s. En el macizo rocoso, el ángulo del talud tiende a ser desfavorable con las discontinuidades, estableciendo
factor de seguridad y reduciendo la probabilidad de falla. Todos estos análisis proporcionaron información valiosa para la
evaluación de estabilidad de taludes en basalto, sugiriendo el empleo de medidas preventivas para evitar mayores riesgos
de daños en la infraestructura vial y en la vida de los transeúntes.
Palabras clave:
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04-110
63
Caracterización geomecánica de taludes de roca basáltica
Introducción
Los basaltos cretácicos de la costa ecuatoriana
reconocidos como formación geológica Piñón, tienen
características geotécnicas favorables para la construcción,
sin embargo, los sistemas de fracturamientos evidenciados
en los macizos rocosos a lo largo de cortes de carretera,
determinan una serie de inestabilidades para esos
taludes. La frecuencia de estos escenarios de inestabilidad
es mayor durante la ocurrencia de eventos sísmicos o
en los períodos de altas precipitaciones, con lo cual, los
deslizamientos en cuña, planares y las caídas de rocas
incrementan el riesgo de los transeúntes y viviendas [1].
de estas unidades volcánicas, se seleccionó un sitio en la
costa sur de Ecuador (ver Fig. 1), cuyas características
y Guayaquil, costa sur del Ecuador. Entre los objetivos
el macizo rocoso midiendo las discontinuidades, el
comportamiento geomecánico y la calidad de la roca,
teniendo en cuenta los parámetros RMR (Rock Mass
Rating) [2] [3], RQD (Rock Quality Designation), condición
de juntas, y SMR (Slope Mass Rating) [4] [5]. Con base
en los criterios de Mohr-Coulomb y de Hoek-Brown, se
obtuvieron los parámetros geotécnicos GSI (Geological
Strength Index), ángulo de fricción y cohesión del basalto,
utilizando el programa Rocdata[6] [7] [8]. El factor de
disturbancia (D) usado fue de 0,7 para taludes naturales.
En adición, para los análisis cinemáticos de potenciales
deslizamientos en cuñas y planares, se utilizaron los
softwares dips, swedge, rocplane y slide de rocsciences
[8]. (ii) determinar parámetros geosísmicos a través de
sísmica de refracción, para obtener velocidades de ondaP
moderadamente duros a extremadamente duros. (iii)
diseñar un modelo geotécnico-geosísmico para el factor
de seguridad (FS) considerando valores de PGA-h y
magnitudes sísmicas (subducción y de fallas geológicas).
Esta información proporcionará parámetros geotécnicos
para macizos rocosos de basalto, así como alternativas
de técnicas para la estabilidad de taludes, útiles en la
riesgos por deslizamientos en carreteras.
Figura 1.Formaciones cretácicas en la costa sur de
Ecuador y su relación con valores PGA-h, según [20]
[21]. Sitio de estudio del cerro San José (ver Figura 2),
coordenadas UTM, 611435mE y 9786217mN.
Área de Estudio y Geología
La información litológica de las unidades o
formaciones geológicas de interés en este estudio, es
referida del mapa geológico de la costa de Ecuador [9]
[10] [11][12]. La formación Piñón es el basamento ígneo
cretácico del Ecuador occidental, conformada por basaltos
massivos [13] [14] [15] [16], asociados localmente con
brechas de almohada, hialoclastitas y sedimentos silícicos
constituyen la cordillera Chongón - Colonche en sus
estribaciones septentrionales (Fig. 1).
Figura 2. Estaciones geomecánicas en el cerro San José,
Daule, norte de Guayaquil. Las estaciones T4 y T5 son
localizadas en la base del corte de talud.
El área de estudio seleccionada se encuentra a
18 km al noroeste de la ciudad de Guayaquil, en el sitio
conocido como cerro San José del cantón Daule (provincia
Guayas) (Fig. 2). Este cerro está conformado por rocas
evidencian fracturamiento local y patrones de diaclasas,
así como roca in-situ de textura afanítica con presencia de
vetillas de cuarzo que oscilan entre 0,2 mm y 2 cm, de color
blanco lechoso. Además, se observan diseminaciones de
minerales como pirita, marcasita, pirrotina y clorita (Fig.
2). El macizo rocoso presenta dos fases hidrotermales: la
primera con presencia de cuarzo, y la segunda que rellenó
las fracturas con cuarzo y mineralizaciones de piritización,
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04-110
64 Chunga y Col.
pirrotina, marcasita, producto de la oxidación que
a largo plazo, factores químicos que alteran la resistencia
de la roca [17] [18].
Las discontinuidades principales, de manera
general, se pueden describir que son poco abiertas, con
rellenos poco meteorizados y secos y puntualmente
húmedos en época lluviosa; su continuidad varía entre
60 cm y 20 m, el espaciado está comprendido entre 10
cm y 2 m, demostrando que las condiciones geológicas y
estructurales existentes en el sector San José, presentan
un esfuerzo mecánico de inestabilidad en el macizo, que
condiciona la probabilidad de ocurrencia de potenciales
deslizamientos planares y en cuñas.
Metodología
La investigación se estructuró en dos fases:
una de caracterización geomecánica de talud en roca, y
otra de diseño de estabilidad considerando parámetros
litológicos, geotécnicos y de factor de seguridad.La
primera fase, orientada a la caracterización de la geología
del terreno y la medición de discontinuidades, permitió
obtener datos del macizo rocoso, medición estructural de
diaclasas y fallas geológicas, que determinan condiciones
para la ocurrencia de potenciales deslizamientos y
rocosos delimitaron las principales unidades litológicas
predominantes en el sitio. Los datos estructurales
considerados en las mediciones son dip-direction/dip,
obtenidos con una brújula geo-brunton. Posteriormente,
estas mediciones se proyectaron en una estéreo-falsilla
de Wulff por medio del software dipv de rocsciences [8],
planares y en cuñas.
El análisis de la calidad del macizo en el talud
en roca fue evaluado considerando los parámetros
RMR [3] [19] y SMR [4] [5]. Los deslizamientos en cuña
fueron analizados con elsoftware swedge, mientras que
los planares se evaluaron con el software rocplane. Los
parámetros geotécnicos desde los criterios de Morh-
Coulombs y Hoek-Brown, fueron obtenidos con el software
rocdata de rocksciences [7] [8].
Para el cálculo del SMR se utilizó la herramienta
libre SMR-Tools desarrollada por [5] (disponible en
http://personal.ua.es/es/ariquelme/smrtool.html). En
este análisis se incluyeron los valores de RMRbásico para
cada talud, las medidas estructurales del talud (dip-
direction/dip) y el tipo de deslizamiento potencial (cuña
sísmica de refracción, se realizó un tendido sísmico de 110
m de longitud (ver Figura 2, línea roja), a partir del cual se
determinaron la velocidad de onda P y el UCS. Tal variante
del sitio.
La segunda fase, evaluación y diseño de
estabilidad del talud, caracterizó a las zonas geotécnicas
del sitio, proponiendo modelos de análisis para la
estabilidad de talud, y contemplando parámetros sísmicos
y geotécniccos con afectación al macizo rocoso (Tabla 1).
El análisis de los planos de deslizamiento y de factores
de seguridad permitió obtener parámetros geotécnicos
para los modelos de estabilidad; considerando el cálculo
de la inclinación del talud y la estabilización de los
deslizamientos por reducción de resistencia al corte.
Resultados y Discusión
Parámetros sísmicos (subducción y fallas geológicas)
La costa sur de Ecuador se caracteriza por dos
tipos de amenazas sísmicas. Sismos de subducción lejanos
y sismos moderados locales desde fallas geológicas con
para la costa sur de Ecuador [20]). Según la NEC-11, el
sitio de estudio se encuentra en la zona sísmica de nivel
Un método determinístico fue aplicado en
esta sección para estimar con más precisión los niveles
de sismicidad. Esta técnica comprende la aplicación
de ecuaciones de regresión aplicadas a los parámetros
geométricos y cinemáticos de fallas, determinando
máximas magnitudes [22] [23] [24] [25] y máximas
aceleraciones en roca [26], PGA, Peak Ground Acceleration.
Este análisis para el sitio seleccionado, permitió la
construcción de un catálogo de fallas que consta de 17
segmentos activos y capaces (Fig. 3). Los lineamientos
morfométrico, utilizando imágenes de ortofotos y modelos
de elevación digital de alta resolución. La información
existente del mapa de fallas activas fue consultada desde
[20] [27] [28].
Este análisis de riesgo sísmico determinístico
indicó que las fallas activas F-04 a F-07 son las más
propensas a causar daños en el sitio de estudio, con
de longitud es la más cercana al sitio de interés, ubicada a
10 km de distancia al suroeste de éste, y puede generar
sismos entre 6,29 y 6,34 y PGA en el orden de 0,25g. La
falla más grande es la F-07, localizada a 35 km al este del
sitio de estudio, con 36 km de longitud puede generar
sismos por el orden de 6,74 y PGA de 0,33g. Las fallas F-04
y F-05, de 12 km y 27 km de longitud respectivamente,
están localizadas al sur del sitio de estudio, y pueden
generar sismos entre 6,17 a 6,64 y PGA en el orden de 0,3g.
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04-110
65
Caracterización geomecánica de taludes de roca basáltica
(1)
Figura 3. Fallas activas a escala regional para la
obtención de parámetros sísmicos. Las unidades
volcánicas cretácicas son resaltadas en color verde[11]
[15].
Tabla 1. Estimación de parámetros de resistencia al corte, desde la aplicación de rocdata. Los valores de UCS fueron
Altura
Talud (metros)
σci
(Mpa) GSI mi D mb s a Ángulo fricción
(grados)
Cohes.
(MPa)
32 135-
240 65 25 0,7 3,654 0,0063 0,502 37 4,5-7,8
Condiciones geotécnicas de basaltos
Los parámetros geotécnicos sustentados en los
criterios de Morh-Coulombs y Hoek – Brown, permitieron
calcular el GSI y los parámetros de resistencia al corte. El
literatura para macizos rocosos similares [29], así como el
UCS (MPa) y la cohesión para basaltos.El modelo de Hoek
y Brownrequirió del conocimiento de tres parámetros: (i)
la resistencia a la compresión uniaxial de la roca intacta
roca, es de 25, y (iii) el Índice de Resistencia Geológica “GSI”
del macizo rocoso, de 65; “mb” es un valor reducido de la
constante del material de 3,654; “S” y “a” son constantes
del macizo rocoso, de 0,0063 y 0,502, respectivamente[7]
[8]. El ángulo de fricción de 33 a 37° y la cohesión de 4,5 a
7,8 Mpa son establecidos para la roca basalto.
La línea sísmica de refracción LSR-01 con una
orientación de N85°E, en elcerro San José, permitió obtener
un modelo de subsuelo con un rango de velocidades que
van desde 2.000 m/s hasta 6.500 m/s, prospectando las
velocidades hasta una profundidad de 16 metros. A partir
de las mediciones de velocidades sísmicas, y usando el
método de sísmica de refracción, se obtuvo un modelo
Figura 4.
onda P, y (B) de resistencia a la compresión uniaxial.
con velocidades sísmicas entre 2000 m/s y 3000 m/s; y
una segunda capa convelocidades Vp en el rango de 4.000
m/s y 6500 m/s, se observa un contraste lateral entre los
25 m y 45 m de distancia horizontal donde las velocidades
no superan los 4.200 m/s, lo que podría ser asociado a una
zona de fracturamiento (Fig. 4 y 5).La correlación entre los
valores de Vp por sísmica de refracción con parámetros
geomecánicos, se presenta como resultado de una sección
del subsuelo, con la distribución de magnitudes de la
resistencia a la compresión uniaxial (UCS). Dicha sección
fue calculada desde la relación empírica Kilic y Teymen,
la cual relaciona la velocidad de onda compresional
(Vp) con la UCS para diferentes tipos de rocas ígneas-
volcánicas[30]. La curva de relación empírica planteada
expresa la siguiente ecuación:
Donde, UCS es la resistencia a compresión
uniaxial (MPa), y Vp es la velocidad de onda compresional
P (enkm/s).
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04-110
66 Chunga y Col.
Figura 5. Análisis determinístico de deslizamientos
planar, referido para el talud 022/74, la intersección del
deslizamiento es 022/65.
Para el macizo rocoso de basaltos se
establecieron valores de UCS entre los 10 MPa y 220
Mpa. Para la zona con menores velocidades de onda P, se
reporta valores de UCS entre 20 MPa y 50 MPa, mientras
que, donde el basalto es más sano, se alcanzaron valores
mayores a 100 Mpa (Fig. 6 y 7).
Figura6. Análisis SMR-Tool[5] para la zona de corte
de carretera, indicando un valor de 19, clase V,
malo e inestable. Para este análisis se consideró la
discontinuidad del plano de estrato 022/65 para
deslizamiento planar.
Figura7.
° a 60°, clase II buena y
estable.
Características geomecánicas
Para el cerro San José, se delinearon cinco zonas
de taludes, donde sus discontinuidades son proyectadas
espacialmente en el macizo rocoso.Las zonas T1 a T3
(referida al talud) están encima del cerro y las zonas T4
y T5 en la parte inferior del corte de talud de carretera.
La roca volcánica de basalto tiene consistencia dura a
muy dura, y el talud principal de 026/78 tiene sistemas de
diaclasamientos con tres principales familias. El esfuerzo
estimado a la compresión uniaxial, para la roca basalto
valor de 240 MPa. El RQD promedio medido es de 66%, y el
espaciamiento promedio de discontinuidad es 0,2 m (Fig. 5).
Las condiciones de discontinuidades, tienen persistencias
de 3 m a 4 m, con abertura de 1 mm en la fractura más
donde los espaciamiento de abertura esmenor de 5 mm, la
alteración en las paredes de las discontinuidades es media.
La condición geohidrológica considerada en este talud es
húmeda. Con todas estas características se cálcula para el
talud principal un RMR
básico de 61% conclase II (Tabla 2).
Para analizar la dinámica y cinemática de las
discontinuidades, se empleo el software “dips-v6” de
rocscience [8], determinando zonas criticas en el talud
que pueden formar deslizamientos planares, y menores
desprendimentos em cuña. En éste análisis se proyectaron
espacialmente el plano y el polo del talud 022/74, seguido
de los polos de todas las discontinuidades medidas en el
macizo rocoso. El ángulo de fricción empleado en este
analisis es de 37° para el basalto, la delimitación del talud
y la intersección de las descontinuidades pueden formar
un deslizamiento planar con valor estructural de 022/65.
Tabla 2. Resultados de análisis geomecánico y
estabilidad de talud.
Talud Litología Falla RMR
básico SMR
actual Clase SMR
corregido
T-01 Basalto,
duro planar 64 39
clase IV
IV. Mala,
inestable
41
clase III
T-02 Basalto,
duro ninguna 66 67
clase II II. Estable 80
clase II
T-03 Basalto,
duro planar 64 50
Clase III
III.
Parcial
estable
76
Clase II
T-04 Basalto,
duro planar 57 21
clase IV
IV. Mala,
inestable
46
clase III
T-05 Basalto,
duro planar 61 19
clase V
V. Muy
mala
72
clase III
T-total Basalto,
duro
planar
y cuña 60 -
IV.
Parcial
estable
53
clase III
geomecánicos y geotécnicos se procede alcálculo del SMR,
empleando la herramienta libre SMR-Tools desarrollada
por [5]. La evaluación geomecánica de los taludespermitió
indicar que, para taludes de clase III parcialmente estables,
(clase III), con estos cálculos se disminuye el riesgo de
deslizamiento planar (Figuras 6 y 7). Otra alternativa es
colocar cortinas de acero de alta resistencia con anclajes
en la parte alta del talud, que permitirá reducir caídas
de bloques de menores deslizamientos en cuñas. En la
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04-110
67
Caracterización geomecánica de taludes de roca basáltica
Tabla 2, se indica los tipos de potenciales deslizamientos,
los cálculos de RMRbásico y el SMR corregido para un
mejoramiento en la estabilidad del talud. Para el cálculo
del factor de seguridad en el talud, desde un análisis
determinístico, se empleo el programa rocplane (para
deslizamientos planares) y el swedge (para análisis en
cuña). Los parámetros geotécnicos calculados desde
el rocdata, y la aceleración sísmica asignada de 0,21 g,
permitieron estimar un FS 0,83, por lo que las alternativas
de diseños establecidas mejorarían e incrementarían el FS
mayor a 1,2.
Conclusiones
Para las rocas cretácicas de basaltos en este
estudio, se establece una aceleración entre 0.21 a 0.33
g, aplicable para obras de ingeniería, estos valores
de PGA son recomendables y en contraposición a los
valores recomendados por la NEC-11 (0,4 g y 0,5 g) para
el diseño de taludes propone la expresión ka=0,60ZFa que,
en el caso de rocas duras como los basaltos, sería de 0,21g.
Los ángulos de fricción entre 31 a 37°
representan la mayor resistencia en confrontación
determinación de velocidades de ondas P de 4,0 a 6,8 km/s
son correlacionables con la resistencia a la roca intacta de
110-240 Mpa. La aplicación de la técnica del esclerómetro
no es recomendable para estos tipos de rocas volcánicas,
debido a su limitación en la medición de la resistencia y
dureza.Los basaltos cretácicos en esta zona son resistentes
a la meteorización, por lo que, los parámetros geotécnicos
calculados en este estudio,se consideran invariables por el
tiempo de exposición.
En el macizo rocoso, el ángulo del talud tiende a
ser desfavorable con las discontinuidades, estableciendo
pendientes inestables y parcialmente estable de Clase
el talud hasta 55°, incrementando el factor de seguridad
y reduciendo la probabilidad de falla. La segunda
alternativa y más adaptable en la estabilidad del talud,
es colocar la cortina de acero de alta resistencia, donde
los anclajes deben ser realizados en la parte alta, y los
pernos con distancia de 5 metros. Anclajes en la pared
frontal del talud, no es recomendable por la posibilidad
de un potencial colapso, aún si se encuentra posicionado
la cortina de acero. Todos estos análisis proporcionan
información valiosa para la evaluación de estabilidad
de taludes en basalto, sugiriendo el empleo de medidas
preventivas para evitar mayores riesgos de daños en la
infraestructura vial y en la vida de los transeúntes.
Agradecimientos
Este trabajo es direccionado por el Grupo de
Investigación de Geotecnia de la Universidad Técnica de
Manabí (UTM). Los Autores agradecen a la Consultora
GEAS Geophysical Services, en Guayaquil.
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REVISTA TECNICA
DE LA FACULTAD DE INGENIERIA
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
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Esta revista fue editada en formato digital y publicada
en Julio de 2020, por el Fondo Editorial Serbiluz,
Universidad del Zulia. Maracaibo-Venezuela
Volumen Especial, 2020, No. 2, pp. 04 - 110________________
