INDICE
CARRETERA PARACAYA-MIZQUE-AIQUILE ............................................................ 1 1
INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 1
2
GEOLOGÍA ............................................................................................... 1
2.1
Sistema Ordovícico (O); ........................................................................... 1
2.2
Depositos Coluviales: ............................................................................... 2
3
RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN...................................................... 2
3.1
Estudios ensayos y resultados realizados en la etapa de estudio .......... 2
3.2
Estudios ensayos y resultados realizados en la etapa de construcción . 3
4
PARÁMETROS GEOMECÁNICOS ......................................................... 4
4.1
Parámetros de rotura y deformación. ....................................................... 4
5
ESTIMACIÓN DE LA CARGA ÚLTIMA ................................................. 10
5.1
Criterio 1.................................................................................................. 11
5.2
Criterio 2.................................................................................................. 12
5.3
Criterio 3.................................................................................................. 13
5.4
Resumen de resultados. ......................................................................... 14
5.5
Ensayo de carga de placa ...................................................................... 17
6
ANÁLISIS ESTEREOGRÁFICO ............................................................. 18
6.1
Orientación de las discontinuidades....................................................... 19
6.1.1
Mecanismos de falla ............................................................................... 22
6.1.1.1
Analisis mecanismo de falla Talud Norte ............................................... 24
-
Corte A - A .............................................................................................. 24
-
Corte B - B .............................................................................................. 25
6.1.1.2
Analisis mecanismo de falla Talud Sur .................................................. 27
-
Corte A - A .............................................................................................. 27
7
ANÁLISIS DE ESTABILIDAD ................................................................. 29
7.1
Talud Norte, análisis mediante el método de elementos finitos ............ 29
7.1.1
Generalidades......................................................................................... 29 i
7.1.2
Cargas y caso estudiados ...................................................................... 29
7.1.3
Resultados elementos finitos (Talud Norte) ........................................... 32
7.1.3.1
Factor de seguridad ................................................................................ 32
7.2
Talud Sur, análisis mediante el método de elementos finitos ............... 34
7.2.1
Generalidades......................................................................................... 34
7.2.2
Cargas y caso estudiados ...................................................................... 34
7.2.3
Resultados elementos finitos (Talud Sur) .............................................. 38
7.2.3.1
Factor de seguridad ................................................................................ 38
7.3
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................... 39
7.3.1
Conclusiones, Talud Norte ..................................................................... 39
7.3.2
Conclusiones, Talud Sur ........................................................................ 40
7.3.3
Recomendaciones (Talud Norte) ........................................................... 41
7.3.4
Recomendaciones (Talud Sur) ............................................................... 42
INDICE DE FIGURAS Figura Nº 1 Tomografía para el (Talud Norte) ............................................................. 5 Figura Nº 2 Tomografía para el (Talud Sur) ................................................................. 5 Figura Nº 3 Abaco sobre el criterio de rotura de Hoek y Brown (Talud Norte) ........... 6 Figura Nº 4 Abaco sobre el criterio de rotura de Hoek y Brown (Talud Sur) .............. 7 Figura Nº 5 Modelo geotécnico - Unidades Geotécnicas (Talud Norte) ..................... 9 Figura Nº 6 Modelo geotécnico - Unidades Geotécnicas (Talud Sur) ....................... 10 Figura Nº 7 Factor Nβ.................................................................................................. 12 Figura Nº 8 Capacidad última de apoyo en función del GSI (Talud Norte). .............. 16 Figura Nº 9 Capacidad última de apoyo en función del GSI (Talud Sur). ................. 17 Figura Nº 10 Vista de los mapeos realizados por los trabajos de campo. ................ 19 Figura Nº 11 Distribución y concentración de polos y grandes círculos (Talud Norte). ................................................................................................................. 20 Figura Nº 12 Distribución y concentración de polos y grandes círculos (Talud Sur) 21 Figura Nº 13 Distribución y concentración de polos y grandes círculos (Talud Norte). ................................................................................................................. 21 Figura Nº 14 Distribución y concentración de polos y grandes círculos (Talud Sur) 22 Figura Nº 15 Esquema de ubicación de los cortes realizados. ................................. 23 ii
Figura Nº 16 Esquema de ubicación de los cortes realizados .................................. 23 Figura Nº 17 Análisis de mecanismos de falla Corte A – A (Talud Norte) ................ 24 Figura Nº 18 Comportamiento de la Falla plana realizada por el programa Rock Plane (rocsience), (Talud Norte) ........................................................................ 25 Figura Nº 19 Análisis de mecanismos de falla Corte B – B (Talud Norte) ................ 26 Figura Nº 20 Comportamiento de la Falla cuña realizada por el programa Swage (rocsience), (Talud Norte)................................................................................... 27 Figura Nº 21 Análisis de mecanismos de falla Corte A – A (Talud Sur) ................... 28 Figura Nº 22 Estado inicial de análisis Caso I (Talud Norte). .................................... 30 Figura Nº 23 Desplazamiento total Caso I (Talud Norte). ......................................... 30 Figura Nº 24 Estado inicial de análisis Caso II (Talud Norte). ................................... 31 Figura Nº 25 Estado inicial de análisis Caso II (Talud Norte). ................................... 31 Figura Nº 26 Desplazamiento total Caso II (Talud Norte). ........................................ 32 Figura Nº 27 Desplazamiento total Caso II (Talud Norte). ........................................ 32 Figura Nº 28 Estado inicial de análisis Caso I (Talud Sur). ....................................... 35 Figura Nº 29 Desplazamiento total Caso I (Talud Sur). ............................................. 35 Figura Nº 30 Estado inicial de análisis Caso II (Talud Sur). ...................................... 36 Figura Nº 31 Estado inicial de análisis Caso II (Talud Sur). ...................................... 36 Figura Nº 32 Desplazamiento total Caso II (Talud Sur). ............................................ 37
INDICE DE TABLAS Tabla Nº 1 Detalle de muestras codificadas y estudiadas........................................... 2 Tabla Nº 2 Identificación de las muestras .................................................................... 2 Tabla Nº 3 Propiedades Físicas ................................................................................... 3 Tabla Nº 4 Resultados del ensayo a la compresión no confinada .............................. 3 Tabla Nº 5 Resumen de resultados de propiedades físicas. ....................................... 3 Tabla Nº 6 Resumen de resultados de durabilidad al desleimiento. ........................... 3 Tabla Nº 7 Resultados del ensayo de dureza de Shore. ............................................. 3 Tabla Nº 8 Resultados del ensayo de compresión simple. ......................................... 3 iii
Tabla Nº 9 Resumen de resultados del ensayo de corte directo sobre fisura predeterminada. .................................................................................................... 3 Tabla Nº 10 Parámetros de rotura y deformación para macizo rocoso (Talud Norte) .................................................................................................................... 8 Tabla Nº 11 Parámetros de rotura y deformación para macizo rocoso (Talud Sur) ... 8 Tabla Nº 12 Parámetro Geomecánico para fallas de estratificación (Talud Norte) .... 8 Tabla Nº 13 Parámetro Geomecánico para fallas de estratificación (Talud Sur)........ 8 Tabla Nº 14 Factor de Forma ..................................................................................... 13 Tabla Nº 15 Factor de Corrección .............................................................................. 14 Tabla Nº 16 Resumen de resultados Capacidad ultima de apoyo MPa (Talud Norte). ................................................................................................................. 15 Tabla Nº 17 Resumen de resultados Capacidad ultima de apoyo MPa (Talud Sur). .................................................................................................................... 15 Tabla Nº 18 Resumen de resultados Capacidad ultima de apoyo en función del GSI (MPa). .......................................................................................................... 15 Tabla Nº 19 Resumen de resultados Capacidad ultima de apoyo en función del GSI MPa (Talud Sur). ......................................................................................... 16 Tabla Nº 20 Resumen de las discontinuidades (Talud Norte) ................................... 19 Tabla Nº 21 Resumen de las discontinuidades (Talud Sur) ...................................... 19 Tabla Nº 22 Mapeos presentados por CPS Belmonte .............................................. 24 Tabla Nº 23 Resultado de los mecanismos de falla Corte A - A ............................... 25 Tabla Nº 24 Resultado de los mecanismos de falla Corte A – A (Talud Norte) ........ 26 Tabla Nº25 Mapeos realizados por visitas de campo (Talud Sur) ............................ 27 Tabla Nº 26 Resultado de los mecanismos de falla Corte A – A (Talud Sur) ........... 28 Tabla Nº 27 Valores del coeficiente de seguridad (Talud Norte). ............................. 33 Tabla Nº 28 Valores del coeficiente de seguridad (Talud Sur). ................................. 38
iv
CARRETERA PARACAYA-MIZQUE-AIQUILE PUENTE KURI ESTUDIO GEOTÉCNICO PARA LAS FUNDACIONES En este informe son presentados las consideraciones y análisis geotécnicos para determinar los parámetros geomecánicos del macizo rocoso en el lugar de implantación de pilas, así como también, para tener criterios para la elección del tipo de fundación. Para este efecto, se han realizado análisis de estabilidad según el método del estado límite y modelaciones tenso-deformacionales para diferentes casos de carga. 1
INTRODUCCIÓN
El comportamiento del macizo rocoso parte desde la descripción de la litología, estructura y las condiciones de la superficie donde se realizaran o emplazaran las diferentes obras y/o estructuras de ingeniería, y es en este ámbito que se llega a la estimación de los diferentes parámetros geomecánicos para el diseño de las mismas, estos parámetros son estimados a partir de ensayos de laboratorio y corroborados por la bibliografía de distintos autores para poder tener de esta forma resultados óptimos y fidedignos. Es de esta forma que definimos el comportamiento geomecánico del macizo rocoso, ubicando las zonas críticas y sus recomendaciones para la estabilidad de los taludes donde se realizaran las fundaciones de los estribos y pilas del puente de las variantes del Km 45 y Kuri de la carretera Paracaya – Mizque y Aiquile. 2
GEOLOGÍA
La geología del sitio esta descrita en el Capítulo 3 (Estudios de ingeniería Geológica) del estudio de diseño final elaborarado por la empresa consultora CPS- Belmonte. A continuación presentamos un resumen de todas y cada una de las unidades litoestratigráficas, siguiendo su ubicación en la columna estratigráfica generalizada, a partir de las rocas más antiguas hasta las más recientes. 2.1
Sistema Ordovícico (O);
En su generalidad estas rocas son sedimentarias de origen marino, principalmente areniscas, lutitas, limolitas, siltitas y cuarcitas de variadas tonalidades y granulometría afectadas por un ligero metamorfismo de tipo regional. a) Formación San Benito (Osb).
1
Las rocas ordovícicas en el tramo están representadas por la Formación San Benito conformada por areniscas cuarcíticas, duras y areniscas, ambas de color gris claro ligeramente anaranjadas, debido a la oxidación de los minerales de hierro, de grano medio a fino, micáceas, fracturadas o diaclasadas. La estratificación está conformada por bancos de espesores variables que van desde 25 cm hasta 1.80 m depositadas en bancos gruesos sub-horizontales. 2.2
Depositos Coluviales:
Los depósitos Cuaternarios en laderas con pendientes menores a los 45º y representado por material consolidado y semi-consolidado de gravas, arenas, limos y arcillas y bloques grandes aislados de hasta 1.2m y clastos sub-angulosos de hasta 25 cm. Los espesores de estos depósitos coluviales varían entre pocos centímetros hasta 150 cm y generalmente cubiertos por encape vegetal. 3 3.1
RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN Estudios ensayos y resultados realizados en la etapa de estudio
Para la estimación de algunos parámetros se partió de los estudios presentados por la empresa CPS Belmonte, Capítulo 3 (Estudios de ingeniería Geológica). A continuación presentamos algunas tablas resumen de dicho informe. Tabla Nº 1 Detalle de muestras codificadas y estudiadas
Tabla Nº 2 Identificación de las muestras
2
Tabla Nº 3 Propiedades Físicas
Tabla Nº 4 Resultados del ensayo a la compresión no confinada
3.2
Estudios ensayos y resultados realizados en la etapa de construcción
En la etapa de construcción se realizó la extracción de muestras tanto de la perforación como bloques, para realizar algunos ensayos complementarios de laboratorio, por el GTUMSS, este mismo documento es presentado en el Anexo. Tabla Nº 5 Resumen de resultados de propiedades físicas.
Tabla Nº 6 Resumen de resultados de durabilidad al desleimiento.
Tabla Nº 7 Resultados del ensayo de dureza de Shore.
Tabla Nº 8 Resultados del ensayo de compresión simple.
Tabla Nº 9 Resumen de resultados del ensayo de corte directo sobre fisura predeterminada.
3
4
PARÁMETROS GEOMECÁNICOS
Es necesario disponer de una función entre la velocidad de propagación de la onda sísmica (Vp) y una variable del macizo rocoso que proporciona información suficiente y necesaria sobre la estructura del macizo rocoso y el estado de las discontinuidades. Esta variable es el Índice del Macizo Rocoso (RMR) según la clasificación de Biniaswki. La relación entre estas dos variables es encontrada usándose dos ecuaciones empíricas propuestas por Barton1 Ec. (1) y (2) después de haber analizados centenas de pares de valores en el mundo entero: 50
15
……………………Ec. (1)
3.5 ……………………….Ec. (2) Donde Q es el índice del macizo rocoso según el sistema de clasificación del Instituto Noruego2 de Geotecnia (1974). Reemplazando
de la segunda ecuación en la primera se obtiene: 50
15
3.5 …………………Ec. (3)
Donde la Vp es representada en Km. Esta nueva ecuación es la base para asignar el grado de fracturamiento y de alteración del macizo rocoso en función de la velocidad de propagación lineal de las ondas de presión Vp. Para aplicar la ecuación (3) es imprescindible conocer la litología, el grado de fracturación y el estado de las discontinuidades que determinan el macizo rocoso. El módulo de Poisson fue determinado en función al RMR, con referencia en las publicaciones del Prof. R. Bieniawski Richard3 . Ec. (4). 0.3248
0.0015
………………..Ec. (4)
Los parámetros para las discontinuidades según el criterio de Barton & Choubey,1977, ecuaciones (5),(6) y (7). log ∅ ∅ 4.1
0.00088 ∅
20 log
1.01 ………………..Ec. (5)
20 ………………….………..Ec. (6) ∅ ………………...………..Ec. (7)
Parámetros de rotura y deformación.
Los parámetros de rotura y deformación fueron obtenidos tomando como base la tomografía tomada tanto para el lado más crítico, (talud norte Figura Nº 1) y para el lado sur (talud sur Figura Nº 2).
1
Barton N.(2007)Rock Quality, Seismic Velocity, Attenuation and Anisotropy, Taylor & Francis.
2
Instituto Noruego de Geotecnia (1974).
3 Bieniawski 2011 – Errores en la aplicación de las clasificaciones geomecanicas y su corrección.
4
Figura Nº 1 Tomografía para el (Talud Norte)
Figura Nº 2 Tomografía para el (Talud Sur)
Reemplazando las velocidades de propagación en Ec. (3) se obtuvieron varias unidades geotécnicas presentadas en la Tabla N° 5 para el talud crítico Norte y en la 5
Tabla Nº 6 para el talud Sur. Estos mismos resultados fueron relacionados con la cartilla de Hoek, Figura Nº 3 Talud Norte y Figura Nº4 Talud Sur.
Figura Nº 3 Abaco sobre el criterio de rotura de Hoek y Brown (Talud Norte)
6
Figura Nº 4 Abaco sobre el criterio de rotura de Hoek y Brown (Talud Sur)
En la estimación de las deformaciones se utiliza frecuentemente el coeficiente de Balasto (k) presentado en la ec (8). Este parámetro asocia la tensión transmitida al terreno por una placa rígida, con la deformación mediante la relación entre la tensión aplicada y la penetración o asentamiento de la misma.
ks
Es B(1 2 ) ……………………….Ec. (8)
Donde: E = Módulo de deformación o elasticidad (Kgf/cm2). B = ancho de cimentación. = coeficiente de Poisson del terreno En las Tablas Nº10 y Nº11 se presentan diferentes Unidades Geotécnicas encontradas, tomando como referencia los ensayos realizados, como las tomografías presentadas en la figura Nº1 y Nº2 y los registros de los sondeos mecánicos presentados en el informe final de CPS Belmonte, Capitulo 4 (Estudios de ingeniería Geotécnica suelos y materiales), presentándose también en las tablas Nº10 y Nº 11 los parámetros de rotura y deformación del macizo rocos.
7
Tabla Nº 10 Parámetros de rotura y deformación para macizo rocoso (Talud Norte)
Unidades Geotécnicas
Prof. (m)
(Km)
UGT1
0-1.5
0.882
11
UGT2
1.5-5.0
1,640
UGT3
5.0-7.0
UGT4
7.0-
Vp
mi
μ
Erm (MPa)
K (MN/m3)
10
6
0,30
92,5
9,2
C
30
10
0,29
376,8
37,39
37
F
35
10
0,26
1251,1
121,98
47
F
50
14
0,25
3642,6
400,3
σci
Abaco Hoek
(Mpa)
6
B
25
20
1,980
42
3,40
52
RMR GSI
Tabla Nº 11 Parámetros de rotura y deformación para macizo rocoso (Talud Sur)
Unidades Geotécnicas
Prof. (m)
(Km)
UGT8
9.5-23.0
1,70
35
UGT4
23.0-
3,40
52
Vp
mi
μ
Erm (MPa)
K (MN/m3)
25
6
0,26
1240,2
169,1
50
14
0,25
3642,6
400,3
σci
Abaco Hoek
(Mpa)
30
C
47
F
RMR GSI
El módulo de deformación de la UGT8 es proporcionado por el ensayo de carga de placa (Ec.22) este mismo es utilizado para la determinación de coeficiente de Balasto (Ec.23) para esa unidad. Para la estimación del parámetro geomecánico de la falla de estratificación del talud Norte y para los parámetros del Talud Sur, se tomó como referencia a Rodríguez Ortiz (Cimentaciones)4 Gonzales de Vallejos (Ingeniería Geológica)5, donde se obtuvo el siguiente parámetro, tabla Nº 12 y tabla Nº13. Tabla Nº 12 Parámetro Geomecánico para fallas de estratificación (Talud Norte)
Unidades Geotécnicas
c (MPa)
º
μ
UGT5
0,010
35
0.4
Tabla Nº 13 Parámetro Geomecánico para fallas de estratificación (Talud Sur)
Unidades Geotécnicas
c (MPa)
º
μ
UGT5
0,010
35
0.4
UGT6
0,015
36
0.4
UGT7
0,035
35
0,4
4
Jose Maria Rodriguez Ortiz. Cimentaciones (Colegio oficial de arquitectos de Madrid)
5
Gonzales de Vallejos,2004 (ingeniería Geologica), Pearson Prentice Hall Madrid
8
Para el talud norte de las tres perforaciones realizadas (S1, S2 y PK-P1), se obtuvo el modelo presentado en la Figura Nº5 y para el talud sur con las dos perforaciones realizadas (S3 y S4) se obtuvo el modelo presentado en la Figura Nº6,(El registro del sondeo PK-P1 es presentado en el Anexo).
Figura Nº 5 Modelo geotécnico - Unidades Geotécnicas (Talud Norte)
9
Figura Nº 6 Modelo geotécnico - Unidades Geotécnicas (Talud Sur)
5
ESTIMACIÓN DE LA CARGA ÚLTIMA
La capacidad última de apoyo es una importante consideración en el diseño de presas, caminos y puente y otras estructuras de ingeniería, particularmente cuando están asentadas sobre grandes masas de roca. Con excepción de algunas rocas débiles o muy fracturadas, la mayoría de las rocas son buenos materiales de fundación. Sin embargo es necesario estimar la capacidad última de apoyo para estructuras con grandes cargas, tales como puentes, edificios y presas. La capacidad de apoyo para estructuras fundadas en macizo rocoso, dependen del espaciamiento de las juntas con respecto al ancho de la fundación, la orientación y condiciones de las juntas y el tipo de roca. Para las fundaciones en roca competente puede que sea aplicable confiar en análisis simples y directos basados en las resistencias a la compresión uniaxial de la roca y el RQD. Para determinar la capacidad última de apoyo se procederá a usar los siguientes criterios:
10
5.1
Criterio 1
Se basa en el criterio de falla de Hoek-Brown6, para este método se tiene que el macizo rocoso es homogéneo e isotrópico. El criterio de Hoek-Brown en efectos, introdujo parámetros de resistencia al corte propios, sea del material rocoso como el nuevo parámetro para la roca intacta (mi) a lado de la tradicional resistencia a la compresión uniaxial (σci) del macizo rocoso, (mb) y (s) con la formula
……………….Ec. (9) Siendo (σ1 y σ3) los esfuerzos principales máximos y mínimos respectivamente (eventualmente efectivos) al momento de la rotura, m y s son constantes que dependen de las características de la roca y el exponente a depende del grado de fracturamiento de la misma. Para la estimación de la capacidad última de apoyo se parte de la siguiente ecuación:
Ϛ …………………..Ec. (10) Donde k, βn, Ϛn, son constantes de la masa de roca y dependen de n, m, s y σci, de la siguiente manera:
;
;
Ϛ
……… Ec. (11), (12), (13)
El valor de Nβ se obtiene de la Figura 1, en función de σ*01. y a (el parámetro a viene dado como n en la gráfica) ∗
Ϛ …………………… Ec. (14)
Serrano A., Olalla C. (2000), “Ultimate bearing capacity of rock masses based on the modified Hoek‐Brown criterion” International journal of rock Mechanics and mining Sciences.
6
11
F Figura Nº 7 Fa actor Nβ
5.2 2
Criterio o2
Pa arte del crite erio de Hoe ek y Brown7 del cual sa ale la siguie ente expressión, en funcción de loss parámetro os m y s, me encionados en el aparttado anterio or ………. E Ec. (15) Dó ónde:
qu = Resisten ncia a la com mpresión no o confinada de la roca. qo = Sobre ca arga al nivell de la base e de la funda ación.
nido debe ser s corregid do con los fa actores de profundidad d y de forma, para El valor obten ene un facto or de profun ndidad de 1 y el factorr de forma sse lo obtien ne de la el caso se tie abla N°14. Ta
7
R Rodrigo Salgado o “The engineeering foundatio ons”
12
Tabla Nº 14 Factor de Forma
Forma de cimiento
Factor de forma Cs
Continua (L/B ˃ 6)
5.3
1
Rectangular (L/B = 5)
1.05
Rectangular (L/B = 2)
1.12
Cuadrada
1.25
Circular
1.20
Criterio 3
La capacidad última de apoyo puede también ser estimada desde la tradicional expresión definida por la ecuación propuesta por Buisman-Terzaghi (Terzaghi 1943), válida para fundaciones continuas8. 0.5ϒ Dónde:
ϒ
ϒ
………………… Ec. (16)
qult = Capacidad ultima de apoyo ϒ = Peso unitario de la roca B = Ancho de la fundación D = Profundidad de fundación C = Cohesión
Los términos Nc, Nϒ y Nq son factores que se obtienen en función de ángulo de fricción interna φ, y se los determina de la siguiente manera: 45 2
1 ;
ϒ
……………………….Ec. (17) 1 ;
; ……..…. Ec. (18), (19), (20)
La ecuación es aplicable a fundaciones continuas largas donde L/B son mayores a 10. La tabla N°8 contiene factores de corrección para fundaciones redondas, cuadradas y/o fundaciones con L/B menores a 10. La capacidad última de apoyo es estimada con la ecuación adecuada, multiplicando cada termino por su respectivo factor de corrección.
8
US Army corps of Engineers (1994), “Rock Foundations” Engineering and Design
13
Tabla Nº 15 Factor de Corrección
Cc
Forma de cimentación
Nc Corrección
Cϒ Nϒ Corrección
Circular
1.20
0.70
Cuadrada
1.25
0.85
L/B = 2
1.12
0.90
L/B = 5
1.05
0.95
L/B = 10
1.00
1.00
Rectangular
También se utilizó el criterio de Goodman (LRFD Design and construction of shallow Foundations 2010), que viene de la siguiente manera: ∅
Dónde:
1 …………………. Ec. (18)
qult = Capacidad ultima de apoyo qu = Resistencia a la compresión no confinada del macizo rocoso Nφ = Factor de capacidad de carga
∅
45
∅
………….Ec. (19)
φf = Angulo de fricción interna
5.4
Resumen de resultados.
En función de los cuatro criterios se obtuvieron los resultados de capacidad última de apoyo como se muestra en la tabla N°16 para el talud Norte y en la Tabla Nº 17 para el talud sur en función de la profundidad de fundación.
14
Tabla Nº 16 Resumen de resultados Capacidad ultima de apoyo MPa (Talud Norte).
GSI = 20
Capacidad Ultima de Apoyo (MPa)
Df = 5.5 m
Terzaghi Olalla ‐ Serrano
12.43
11.33
9.83
9.35
Hoek & Brown Goodman
Tabla Nº 17 Resumen de resultados Capacidad ultima de apoyo MPa (Talud Sur).
GSI = 25
Capacidad Ultima de Apoyo (MPa)
Df = 9.5 m 6.51
5.96
6.12
5.81
Terzaghi Olalla ‐ Serrano Hoek & Brown Goodman
En el Talud norte se tiene una profundidad de 5.5 m presentados en la Tabla Nº 18 y para el talud sur los se tiene una profundidad de 9.5 metros presentados en la Tabla Nº19, los criterios analizados se comportan de la siguiente manera, en función del GSI. Tabla Nº 18 Resumen de resultados Capacidad ultima de apoyo en función del GSI (MPa).
Capacidad ultima de apoyo (MPa) Terzaghi Olalla ‐ Serrano Hoek & Brown Goodman
Df = 5.5 GSI 17 10.90 8.17 9.11 7.41
20 12.43 11.33 9.83 9.35
25 15.13 16.02 11.17 10.98
15
Tabla Nº 19 Resumen de resultados Capacidad ultima de apoyo en función del GSI MPa (Talud Sur).
Capacidad ultima de apoyo (MPa) Terzaghi Olalla ‐ Serrano Hoek & Brown Goodman
Df = 9.5m GSI 22 5.22 4.43 5.73 5.41
25 6.51 5.96 6.12 5.72
30 7.71 9.83 6.92 6.52
Se presentan las figuras de capacidad de apoyo tanto para el talud norte Figura Nº9 y para el talud sur Figura Nº 10
Capacidad ultima de apoyo 18,00
Capacidad ultima de apoyo (MPa)
16,00 14,00 12,00 Terzaghi
10,00
Olalla ‐ Serrano
8,00
Hoek & Brown
6,00
Goodman
4,00 2,00 0,00 15
17
19
21 GSI
23
25
27
Figura Nº 8 Capacidad última de apoyo en función del GSI (Talud Norte).
16
Capacidad ultima de apoyo Capacidad ultima de apoyo (MPa)
12,00 10,00 8,00 Terzaghi
6,00
Olalla Hoek y Brown
4,00 2,00 0,00 15
17
19
21
23 GSI
25
27
29
31
Figura Nº 9 Capacidad última de apoyo en función del GSI (Talud Sur).
5.5
Ensayo de carga de placa
Para el lado Sur se realizó el ensayo de carga de placa, para este ensayo se ha aplicado una fuerza de 11.451 Kg. a través de un gato hidráulico con un área de 63.62 cm2. que se apoya en la placa metálica rígida cuya sección es de 706.86 cm2., lo que se traduce en una presión manométrica de 180 kg/cm2., tal como se muestra en la Fotografía N°5. Esta fuerza aplicada a la placa de diámetro 30 cm. representa el 150% de la capacidad de servicio del suelo (1.5*11.06= 16.59 kg/cm2), dándonos asentamientos del orden de 4.53 mm.; y, no se han observado fisuras ni agrietamientos que indiquen una posible falla, sin embargo, se ha concluido el ensayo debido a que la arena utilizada en la nivelación de la placa presenta un asentamiento de 5 veces el asentamiento del sector donde la placa apoya directamente sobre la lutita, lo que ocasionó una desestabilización del sistema adicionalmente evaluando las fuerzas y tensiones involucradas en los elementos empleados, representaban un posible riesgo de desequilibrar el gato. El asentamiento registrado en una placa de 300 mm, de diámetro puede ser relacionada con los asentamientos esperados de la cimentación. Existen varios métodos empíricos para este fin, una relación sugerida por Terzaghi y Peck (1967) es:
/
……………………….Ec. (21)
Dónde: 17
S2 = asentamiento de la cimentación de ancho B2 en cm. S1 = asentamiento de la placa de 300 mm (B1) bajo la carga esperada a ser aplicada por la cimentación. Para nuestro ensayo se tendrán los siguientes valores: B1 = B2 = 11 m. S2 = S1 = 2.85 mm. (Ver planilla de ensayo de placa en Anexo) Determinación del Módulo de deformación ∆
E
∆
………………….. Ec. (22)
Donde: R = Radio de la placa ER = Deformación permanente ∆σ = Incremento de la presión Para el ensayo en función a la gráfica de Presión vs Asentamiento obtenida en el ensayo in situ y presentado en el Anexo, se obtuvo el siguiente resultado. E=1240.19 MPa
Determinación del coeficiente de Balasto Se tomara como referencia la ecuación 8 y correlacionando con la ecuación 23 1.5 ……………………. Ec. (22) K = 169,10 MN/m3 6
ANÁLISIS ESTEREOGRÁFICO
Se procedió a hacer un análisis estereográfico en base a los mapeos realizados por la empresa CPS-Belmonte, presentado en el Capítulo 3 (Estudios de ingeniería Geológica), y por los mapeos realizados en las visitas de campo (Figura Nº11) estas planillas de mapeos son presentados en el Anexo. Para los análisis se tomaron en cuenta tanto los mapeos realizados por el Ing. G. Montaño como los realizados en las visitas de campo.
18
Figura Nº 10 Vista de los mapeos realizados por los trabajos de campo.
6.1
Orientación de las discontinuidades
En las campañas que realizo la empresa CPS Belmonte se obtuvieron los siguientes valores para el Talud Norte, Tabla Nº 20 y en campañas realizadas de trabajos de campo se obtuvieron valores de discontinuidades para el Talud Sur Tabla Nº21. Tabla Nº 20 Resumen de las discontinuidades (Talud Norte)
S Estación
D1
D2
D3
Buz
Dir. Buz
Buz
Dir. Buz
Buz
Dir. Buz
Buz
Dir. Buz
23
188
75
159
80
225
60
045
25
195
75
160
79
230
65
050
25
190
75
158
80
230
60
060
Tabla Nº 21 Resumen de las discontinuidades (Talud Sur)
S Estación
K1
K2
Buz
Dir. Buz
Buz
Dir. Buz
Buz
Dir. Buz
08
230
84
328
74
050
19
Estos mismos valores de ambos taludes fueron transportados al gran círculo donde se observa la orientación de las discontinuidades presentadas en las Figuras Nº12 y Nº14 para el talud norte y Figuras Nº13 y Nº15.
Figura Nº 11 Distribución y concentración de polos y grandes círculos (Talud Norte).
20
Figura Nº 12 Distribución y concentración de polos y grandes círculos (Talud Sur)
Figura Nº 13 Distribución y concentración de polos y grandes círculos (Talud Norte).
21
Figura Nº 14 Distribución y concentración de polos y grandes círculos (Talud Sur)
6.1.1
Mecanismos de falla
El análisis del mecanismo de falla, realizado por el método estereográfico se efectuó tanto para el Talud Norte y Talud Sur, para el talud Norte lado Cochabamba se realizaron dos cortes uno de ellos siguiendo el eje del puente (Corte A-A) y el otro corte realizado para la pendiente más crítica (Corte B-B), (Figura Nº 16). Para el talud Sur lado Mizque se realizó un corte siguiendo el eje del puente (Corte A-A), (Figura 17).
22
Figura Nº 15 Esquema de ubicación de los cortes realizados.
Figura Nº 16 Esquema de ubicación de los cortes realizados
23
6.1.1.1 Anallisis mecan nismo de fa alla Talud Norte N -
C Corte A-A
Se e obtuviero on los para ametros parra las disccontinuidade es utilizand do las ecua aciones (5)(6)(7),presentados en n la Tabla N Nº22. El ana alisis de loss mecanismos de falla para el alud Norte rrepresentad do en la dire eccion del puente p (corrte A-A) con n un buzam miento y Ta dirr.buzamientto de 25/187 7. Tabla Nº 22 Mape eos presentad dos por CPS Belmonte
Buzzamiento
Dir. Buza amiento
Ángulo de e fricción
S
25
20 00
15
K1 1
82
015
15 5.6
K2 2
80
10 00
17 7,5
F Figura Nº 17 A Análisis de m mecanismos d de falla Corte A – A (Talud Norte)
ara el corte A-A se pre esenta un mecanismo m de falla pla ana presenttando un re esumen Pa de e resultadoss en la Tablla Nº23 y el comportam miento de e esta misma falla repressentado en n la Figura Nº19. N
24
Tabla Nº 23 Resultado de los mecanismos de falla Corte A - A
Falla plana
Falla cuña
Plano de análisis
Corte A-A
S
K1
K2
Planos SK2
SI
NO
NO
POSIBLE
Figura Nº 18 Comportamiento de la Falla plana realizada por el programa Rock Plane (rocsience), (Talud Norte)
-
Corte B - B
El analisis de los mecanismos de falla realizado para la pendiente mas critica representado en el corte B-B (figura Nº16) con un buzamiento y dir.buzamiento de 35/222, utilizando los mismo parametros y orientaciones de las discontinuidades presentadas en la TablaNº20.
25
F Figura Nº 19 A Análisis de m mecanismos d de falla Corte B – B (Talud Norte)
En n el corte B-B se prese enta un meccanismo de falla plana y cuña mo ostrado en la a Tabla Nºº24 de resultados y el ccomportamiento de la falla f cuña prresentado e en la figura Nº21. N Tab bla Nº 24 Resultado de los s mecanismos s de falla Corrte A – A (Talu ud Norte)
Falla plana p
Falla cuña
Plano de análisis s Co orte B-B
Plano S
Plano K1
Plan no K2
P Planos S-K2 2
POSIBL LE
NO
N NO
SI
Pa ara el análissis de la falla a cuña se tiiene un facctor de segu uridad de 3.6 6
26
Figura Nº 20 Comportamiento de la Falla cuña realizada por el programa Swage (rocsience), (Talud Norte)
6.1.1.2 Analisis mecanismo de falla Talud Sur -
Corte A - A
Se obtuvieron los parametros para las discontinuidades utilizando las ecuaciones (5)(6)(7),presentados en la Tabla Nº25. El analisis de los mecanismos de falla representado en la direccion del puente (corte A-A) con un buzamiento y dir.buzamiento de 18/098. Tabla Nº25 Mapeos realizados por visitas de campo (Talud Sur)
Buzamiento
Dir.Buzamiento
Ángulo de fricción
S
08
230
15,0
K1
84
328
15,6
K2
74
050
17,0
27
Figura Nº 21 Análisis de mecanismos de falla Corte A – A (Talud Sur)
Para el corte A-A no se presenta ningún mecanismo de falla presentando el resumen en la Tabla Nº26 y el comportamiento de esta misma falla representado en la figura Nº22. Tabla Nº 26 Resultado de los mecanismos de falla Corte A – A (Talud Sur)
Falla plana
Falla cuña
Plano de análisis Corte A-A
S
K1
K2
Planos S-K2
NO
NO
NO
NO
28
7
ANÁLISIS DE ESTABILIDAD -
Para el talud norte por ser el lado más desfavorable de ambos taludes, se presenta un análisis completo de estabilidad de taludes y deformaciones mediante el método de elementos finitos.
-
Para el talud sur por ser el lado más favorable de ambos taludes y con los datos de campos extraídos hasta la cota de fundación, se presenta un análisis completo de estabilidad de taludes y deformaciones mediante el método de elementos finitos.
7.1 7.1.1
Talud Norte, análisis mediante el método de elementos finitos Generalidades
Se utilizó el programa de elementos finitos Phasev8 desarrollado por la empresa canadiense Rocsciences. El modelo se realizó con una secuencia de construcción de 8 etapas, tomando en cuenta las discontinuidades (estratificación) y proporcionando las cargas respectivas de la fundación. 7.1.2
Cargas y caso estudiados
La modelación numérica ha sido ejecutada para tres casos de carga (Caso A, B y C) y los tres casos de disposición de obras o alternativas (Caso I y II), teniéndose un total de 9 combinaciones, tal como se muestra en la siguiente tabla.
CASOS CONSIDERADOS
TALUD NATURAL
FUNDACION CON LOSA DIRECTA
(Caso I)
(Caso II)
CASO A
SECO
X
X
CASO B
SATURADO
X
X
CASO C
SATURADO+SISMO
X
X
El Caso C es el más desfavorable: fuerzas y momentos de la superestructura más la ocurrencia SIMULTANEA de una saturación (evento extraordinario de precipitación) y la carga pseudo-estática sísmica (0,15xg para las fuerzas de masa horizontales y 0.10xg para las fuerzas de masa verticales) tiene una probabilidad de ocurrencia en el orden de 0,04 %. Para los Casos de disposición de obras II y III se ha simulado la secuencia de construcción en 8 etapas, mientras que el caso I es en si la primera etapa de las simulaciones.
29
A continuación son presentados los resultados correspondientes al caso de cargas más desfavorable: Caso C para cada uno de los casos de disposición de obras Talud Natural (Caso I)
Figura Nº 22 Estado inicial de análisis Caso I (Talud Norte).
Figura Nº 23 Desplazamiento total Caso I (Talud Norte).
30
Fundación con losa directa (Caso II)
Figura Nº 24 Estado inicial de análisis Caso II (Talud Norte).
Figura Nº 25 Estado inicial de análisis Caso II (Talud Norte).
31
Figura Nº 26 Desplazamiento total Caso II (Talud Norte).
Se realizo un zoom en la parte inferior de la fundación analizando las deformaciones estas mismas se presentan en la figura No27 teniendo una deformación total en la base de la fundación de 13 mm.
Figura Nº 27 Desplazamiento total Caso II (Talud Norte).
7.1.3
Resultados elementos finitos (Talud Norte)
7.1.3.1 Factor de seguridad Los factores de seguridad determinados para cada combinación de casos están mostrados en la tabla Nº 27. A continuación comentamos solamente los resultados asociados al Caso C. La ladera en el estado actual “no alterado” tiene un coeficiente de seguridad igual a 2,00, 32
mientras que este factor de seguridad se reduce a 1,78 para el caso de una fundación directa (Caso II). Tabla Nº 27 Valores del coeficiente de seguridad (Talud Norte).
FACTOR GENERAL DE SEGURIDAD CASOS Y SITUACION DE ANALISIS
TALUD NATURAL
FUNDACION CON LOSA
CASO A
SECO
3,95
3,43
CASO B
SATURADO
2,71
2,44
CASO C
SATURADO+SISMO
2,00
1,78
33
7.2 7.2.1
Talud Sur, análisis mediante el método de elementos finitos Generalidades
Se utilizó el programa de elementos finitos Phasev8 desarrollado por la empresa canadiense Rocscience. El modelo se realizó con una secuencia de construcción de 8 etapas, tomando en cuenta las discontinuidades (estratificación) y proporcionando las cargas respectivas de la fundación.
7.2.2
Cargas y caso estudiados
La modelación numérica ha sido ejecutada para tres casos de carga (Caso A, B y C) y los tres casos de disposición de obras o alternativas (Caso I y III), teniéndose un total de 9 combinaciones, tal como se muestra en la siguiente tabla.
CASOS CONSIDERADOS
TALUD NATURAL
FUNDACION CON LOSA DIRECTA
(Caso I)
(Caso II)
CASO A
SECO
X
X
CASO B
SATURADO
X
X
CASO C
SATURADO+SISMO
X
X
El Caso C es el más desfavorable: fuerzas y momentos de la superestructura más la ocurrencia SIMULTANEA de una saturación (evento extraordinario de precipitación) y la carga pseudo-estática sísmica (0,15xg para las fuerzas de masa horizontales y 0.10xg para las fuerzas de masa verticales) tiene una probabilidad de ocurrencia en el orden de 0,04 %. Para los Casos de disposición de obras II se ha simulado la secuencia de construcción en 8 etapas, mientras que el caso I es en si la primera etapa de las simulaciones. A continuación son presentados los resultados correspondientes al caso de cargas más desfavorable: Caso C para cada uno de los casos de disposición de obras
34
Talud Natural (Caso I)
Figura Nº 28 Estado inicial de análisis Caso I (Talud Sur).
Figura Nº 29 Desplazamiento total Caso I (Talud Sur).
35
Fundación con losa directa (Caso II)
Figura Nº 30 Estado inicial de análisis Caso II (Talud Sur).
Figura Nº 31 Estado inicial de análisis Caso II (Talud Sur).
36
Figura Nº 32 Desplazamiento total Caso II (Talud Sur).
37
7.2.3
Resultados elementos finitos (Talud Sur)
7.2.3.1 Factor de seguridad Los factores de seguridad determinados para cada combinación de casos están mostrados en la tabla Nº 28. A continuación comentamos solamente los resultados asociados al Caso C. La ladera en el estado actual “no alterado” tiene un coeficiente de seguridad igual a 1,63, mientras que este factor de seguridad se reduce a 1,27 para el caso de una fundación directa (Caso II). Tabla Nº 28 Valores del coeficiente de seguridad (Talud Sur).
FACTOR GENERAL DE SEGURIDAD
CASOS Y SITUACION DE ANALISIS
TALUD NATURAL (Caso I)
FUNDACION CON LOSA DIRECTA (Caso II)
CASO A
SECO
3,07
2,17
CASO B
SATURADO
2,20
1,77
CASO C
SATURADO+SISMO
1,63
1,27
38
7.3
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.3.1
Conclusiones, Talud Norte
1. La información geológica y geotécnica contenida en el informe de diseño final del puente Kuri disponible ha sido interpretada a la luz de los principios de la mecánica de rocas. Esta interpretación ha permitido la determinación de los parámetros geomecánicos para las 5 unidades geotécnicas identificadas, los cuales han sido utilizados en los análisis de estabilidad y tensodeformacionales. 2. La capacidad portante ultima para el macizo rocoso caracterizado en el lugar del implante de la pila norte varía entre 8,17 MPa a 10,90 MPa para un GSI de 17 y está en el rango 11,17 - 16,02 MPa para un GSI de 25. Esto significa valores de una capacidad admisible mayores a 2,71 MPa para un coeficiente de seguridad de 3. Capacidad ultima de apoyo (MPa) Terzaghi Olalla ‐ Serrano Hoek & Brown
Df = 5.5 GSI 17 10.90 8.17 9.11
20 12.43 11.33 9.83
25 15.13 16.02 11.17
Consecuentemente, la fundación directa con una losa a nivel de implante de 5,5 m es factible y recomendable, ya que el esfuerzo máximo generado por la superestructura está en el orden de 1,0 MPa. 3. Los coeficientes de seguridad determinados con el análisis tenso-deformacional para los tres casos de carga y los tres casos de disposición de obras son mostrados en la siguiente tabla FACTOR GENERAL DE SEGURIDAD
Caso de carga
Talud natural
Fundación con losa directa
(Caso I)
(Caso II)
CASO A
SECO
3,95
3,43
CASO B
SATURADO
2,71
2,44
CASO C
SATURADO+SISMO
2,00
1,78
39
Para el caso de carga más probable (tormenta con un periodo de retorno de aprox T= 40 a 50 años) el factor de seguridad es de 2,44. El caso de carga más crítico es el caso C El análisis tenso-deformacional arroja valores para el factor de seguridad global entre 2,00 para el estado natural y 1,78 para el caso de la fundación directa. Considerando la probabilidad de ocurrencia simultánea de dos eventos naturales (precipitación intensa y sismo) podemos concluir que el factor de seguridad de 1,78 para una fundación con losa directa, cumple con lo exigido para este tipo de obras. 4. La estimación del GSI ha sido conservadora, es decir, podemos decir que estamos en el límite inferior que se manifiesta en coeficientes de seguridad bajos. Por tanto, los valores de los parámetros geomecanicos adoptados actualmente deben ser verificados durante la construcción de la obra. En el caso de no ser ratificados, entonces se deberá hacer un nuevo análisis de la estabilidad y del campo de deformaciones.
7.3.2
Conclusiones, Talud Sur
1. La información geológica y geotécnica contenida en el informe de diseño final del puente Kuri disponible ha sido interpretada a la luz de los principios de la mecánica de rocas. Esta interpretación ha permitido la determinación de los parámetros geomecánicos para las 5 unidades geotécnicas identificadas, los cuales han sido utilizados en los análisis de estabilidad y tensodeformacionales. 2. La capacidad portante ultima para el macizo rocoso caracterizado en el lugar del implante de la pila sur varía entre 4,43 MPa a 5,73 MPa para un GSI de 22 en el rango 5,96 - 6,51 MPa para un GSI de 25 y un rango de 6,92 - 7,71 MPa para un GSI de 30. Esto significa valores de una capacidad admisible mayores a 1,47 MPa para un coeficiente de seguridad de 3. Capacidad ultima de apoyo (MPa) Terzaghi Olalla ‐ Serrano Hoek & Brown
Df = 9.5m GSI 22 5.22 4.43 5.73
25 6.51 5.96 6.12
30 7.71 9.83 6.92
Consecuentemente, la fundación directa con una losa a nivel de implante de 9,5 m es factible y recomendable, ya que el esfuerzo máximo generado por la superestructura está en el orden de 1,0 MPa.
40
3. En el ensayo de carga de placa se presentan un asentamiento de 2.85mm con un modulo de deformación de 1240,19Mpa y un coeficiente de Balasto de 169,10 MN/m3 4. Los coeficientes de seguridad determinados con el análisis tenso-deformacional para los tres casos de carga y los tres casos de disposición de obras son mostrados en la siguiente tabla FACTOR GENERAL DE SEGURIDAD CASOS Y SITUACION DE ANALISIS
TALUD NATURAL (Caso I)
FUNDACION CON LOSA DIRECTA (Caso II)
CASO A
SECO
3,07
2,17
CASO B
SATURADO
2,20
1,77
CASO C
SATURADO+SISMO
1,63
1,27
Para el caso de carga más probable (tormenta con un periodo de retorno de aprox T= 40 a 50 años) con un coeficiente de seguridad es de 1,77. El caso de carga más crítico es el caso C El análisis tenso-deformacional arroja valores para el factor de seguridad global entre 1,63 para el estado natural y 1,27 para el caso de la fundación directa. Considerando la probabilidad de ocurrencia simultánea de dos eventos naturales (precipitación intensa y sismo) podemos concluir que el factor de seguridad de 1,27, asociado a la fundación con losa directa, cumple con lo exigido para este tipo de obras. 5. La estimación del GSI ha sido conservadora, es decir, podemos decir que estamos en el límite inferior que se manifiesta en coeficientes de seguridad bajos. Por tanto, los valores de los parámetros geomecanicos adoptados actualmente deben ser verificados durante la construcción de la obra. En el caso de no ser ratificados, entonces se deberá hacer un nuevo análisis de la estabilidad y del campo de deformaciones.
7.3.3
Recomendaciones (Talud Norte)
1. Se recomienda adoptar tener precaución con la voladura que se efectuara para la excavación de la fundación directa. 2. Una vez excavada la fundación se recomienda hacer un mapeo general y análisis de todo el material in situ, sacando nuevos parámetros geomecánicos siendo así necesario o no el caso de hacer una modificación en el modelo tenso deformación 41
3. Se recomienda elaborar e implementar un plan de instrumentación y auscultación, con la colocación de mojones de control, inclinometros y celdas de presión.
7.3.4
Recomendaciones (Talud Sur)
1. En la opción de fundación directa se recomienda hacer una excavación de 0.5 a 1 metro más de profundidad para encontrar un material menos meteorizado y con mayor consistencia. 2. Una vez excavada la fundación se recomienda hacer un mapeo general y análisis de todo el material in situ intentando corroborar los parámetros geomecanicos adoptados siendo o no siendo necesario hacer un nuevo modelo matemático tenso deformación. 3. Se recomienda elaborar e implementar un plan de instrumentación y auscultación, con la colocación de mojones de control, inclinometros y celdas de presión. Cochabamba 26 de Septiembre de 2.013 Ing. Gabriel Rodríguez Roca CNI 1832
Ing. Rodrigo Lara B. CNI 26.312
42
ANEXO 1 INVESTIGACIONES DE CAMPO
43
1.1 MAPEOS GEOTECNICOS DE CAMPO
44
Schmetmman
Resumen de resultados en función a los mapeos de campo realizados
PILA NORTE
PILA SUR
Estacion
RMR
ESTACION
RMR
Kuri 01
53
Kuri 08a
40
Kuri 02
53
Kuri 08b
42
Kuri 03
57
Kuri 09
42
Kuri 04
55
Kuri 06
56
Kuri 07
58
Kuri 10
58
45
1.2 SONDEOS MECANICOS
46
SONDEO MECANICO (PK-P1) Para el lado Norte se realizó un sondeo mecánico con las siguientes coordenadas N=8025686,37 E=239739,808 Elev.=2708.86, presentando la Fotografia Nº1. El sondeo fue realizó con un diámetro de barra NQ, con recuperaciones cada metro, realizando una planilla de sondeo de seguimiento, donde se obtiene el porcentaje de recuperación, registrando también en la planilla la calidad de la roca (RQD) metro por metro de recuperación estimando esta calidad en porcentaje, se introdujo de la misma manera en la planilla el tiempo de cada corrida en minutos que se realizó hasta la extracción del testigo de recuperación. Se debe tomar en cuenta también el tipo de material que se está perforando, siendo este una arenisca de grano medio bastante potente, pudiendo decir casi cuarzoso este tipo de material se presenta con muchas fracturas y discontinuidades que de la misma manera se hace notar en algunos tramos la poca recuperación de testigos. En las fotografías Nº1 y 2 se presentan las cajas de recuperación de testigos.
RQD %
Calidad
< 25
Muy mala
25-50
Mala
50-75
Media
75-90
Buena
90-100
Muy buena
47
Fotografía 1 Maquinaria en el punto de perforación
48
49
Fotografía 2 Caja de recuperación de testigos
Fotografía 3 Vista general de la caja de recuperación de testigos
50
1.3 SONDEOS MECANICOS
51
ENSAYO DE CARGA DE PLACA
52
Fotografía 4 Calibración de los extensómetros
Fotografía 5 Presion manométrica de 180Kg/cm2 y ubicación de los deformímetros con sus respectivas lecturas a esa presión
53
ANEXO 2 INFORME DE LABORATORIO
54
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA LABORATORIO DE GEOTECNIA
SERPREC Ltda.
ENSAYOS DE LABORATORIO DE ROCAS PUENTE KURI
Octubre – 2013
Av. Petrolera, km 4,2 Casilla 6760 - Torres Sofer
Cochabamba - Bolivia
Teléfono / Fax : +/591/(0)4/4236858 E-mail:
[email protected]
PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri
1
CONTENIDO CONTENIDO ................................................................................................................................................ 1 ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................................................... 2 INFORME DE ENSAYOS DE LABORATORIO ........................................................................................ 3 1
ANTECEDENTES ............................................................................................................................. 3
2
OBJETIVOS ...................................................................................................................................... 3
3
DESCRIPCIÓN GENERAL .............................................................................................................. 3
4
TRABAJO DE LABORATORIO ...................................................................................................... 3 4.1
Propiedades índice o físicas ...................................................................................................... 4
4.2
Ensayo de durabilidad al desleimiento ..................................................................................... 4
4.3
Ensayo de dureza dinámica de Shore ....................................................................................... 4
4.4
Ensayo con el esclerómetro de Schmidt ................................................................................... 4
1.1 5
ENSAYO DE CORTE DIRECTO SOBRE FISURA PREDETERMINADA .................................................... 5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................... 5
Laboratorio de Geotecnia - UMSS
PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri
2
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Resumen de datos de muestras recibidas. .......................................................................................................... 3 Tabla 2. Resumen de resultados de propiedades físicas. ................................................................................................. 4 Tabla 3. Resumen de resultados de durabilidad al desleimiento. .................................................................................... 4 Tabla 4. Resultados del ensayo de dureza de Shore. ....................................................................................................... 4 Tabla 5. Resultados del ensayo de compresión simple. ................................................................................................... 5 Tabla 6. Resumen de resultados del ensayo de corte directo sobre fisura predeterminada (envolvente lineal)............... 5
Laboratorio de Geotecnia - UMSS
PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri
3
INFORME DE ENSAYOS DE LABORATORIO 1
ANTECEDENTES
La empresa SERPREC Ltda. viene realizando trabajos para el proyecto “Puente Kuri”, ubicado sobre el tramo carretero Arani – Mizque, entres sus actividades contempla la realización de ensayos de laboratorio en muestras de roca, en este marco ha encomendado la realización de ensayos de laboratorio en dos muestras de roca. El Laboratorio de Geotecnia ha puesto en marcha el proyecto “PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri”. El presente informe contiene una descripción detallada de los ensayos realizados. Complementariamente, el Anexo presenta las planillas de resultados de laboratorio para cada ensayo. 2
OBJETIVOS
El objetivo del presente estudio es determinar propiedades físicas y de resistencia de muestras de roca correspondientes al proyecto Puente Kuri. 3
DESCRIPCIÓN GENERAL
Se ha recibido dos muestras de roca con diferentes características. La Tabla 1 presenta un detalle de cantidad y las características más relevantes de las muestras recibidas. Tabla 1. Resumen de datos de muestras recibidas. Nº 1
ID Muestra GTUMSS 001PER001N000R
2
002PER002B000R
4
ID Cliente PK-P1-8,5m PK-M1 Bloque 01
TRABAJO DE LABORATORIO
Para cumplir con el objetivo planteado se realizaron los siguientes ensayos: -
Propiedades índices.
-
Ensayo de durabilidad al desleimiento.
-
Ensayo con el esclerómetro de Schmidt.
-
Ensayo de dureza dinámica de Shore.
-
Ensayo de corte directo sobre fisura predeterminada.
Laboratorio de Geotecnia - UMSS
Procedencia Pila Norte Pila Sur
PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri
4
A continuación se presenta la descripción de los procedimientos empleados y los resultados obtenidos. 4.1
Propiedades índice o físicas
Se han determinado las propiedades físicas de la muestra aplicando el método sugerido por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM, 1972). Se ha usado el método de parafina y la medición de dimensiones geométricas. Las planillas de laboratorio con los resultados del ensayo se presentan en el Anexo A. Los resultados se presentan en la Tabla 2. Tabla 2. Resumen de resultados de propiedades físicas. Nº
Peso unitario seco, γd (kN/m3)
1 2
ID Muestra GTUMSS 001PER001N000R 002PER002B000R
4.2
Ensayo de durabilidad al desleimiento
Método empleado Medición de dimensiones Parafina
25,49 21,58
El ensayo permite la determinación de la durabilidad de la matriz rocosa ante los procesos de alteración y desintegración cuando es sometido a dos ciclos de abrasión, humedecimiento y secado. El procedimiento del ensayo empleado sigue las recomendaciones de la Norma ASTM D 4644. El índice de desleimiento se calcula como la relación porcentual entre la masa inicial y final, al ciclo correspondiente, de partículas rocosas que son retenidos en el Tamiz Nº 10. Las planillas de resultados de los ensayos se encuentran en el Anexo A. La Tabla 3 presenta el resumen de los resultados obtenidos en los ensayos. Tabla 3. Resumen de resultados de durabilidad al desleimiento. Nº ID Muestra GTUMSS 1
4.3
002PER002B000R
Índice de desleimiento, Clasificación según Id(1), % valor de Id(1) 96,47 Durabilidad alta a media
Índice de desleimiento, Clasificación según Id(2), % valor de Id(2) 92,97 Durabilidad alta a media
Ensayo de dureza dinámica de Shore
Se ha realizado el ensayo de dureza dinámica de Shore usando el procedimiento sugerido por R.M. Goktan (2005) revisado por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM, 2006). El valor de rebote se obtuvo mediante la aplicación de 20 disparos sobre superficies planas y lisas de especímenes ubicados sobre un soporte metálico de 20 kg. A través de la dureza Shore se han estimado la resistencia a compresión simple. Las relaciones usadas para esta estimación son las propuestas por Altindag y Guney (2010). Las planillas del ensayo se presentan en el Anexo A. Los resultados se presentan en la Tabla 4. Tabla 4. Resultados del ensayo de dureza de Shore. Nº
ID Muestra GTUMSS
Dureza de Shore
σci (MPa)
1
001PER001N000R
78
181
4.4
Ensayo con el esclerómetro de Schmidt
Laboratorio de Geotecnia - UMSS
Clasificación según ISRM 1981 Muy dura
PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri
5
El objetivo del ensayo es estimar la resistencia a la compresión simple de una matriz rocosa en laboratorio, mediante la lectura de 10 alturas de rebote con el esclerómetro de Schmidt. A través de la altura de rebote se ha estimado la resistencia a compresión simple. Las relaciones usadas para esta estimación son las propuestas por Deere y Miller (1966). Las planillas del ensayo se presentan en el Anexo A. Los resultados se presentan en la Tabla 5. Tabla 5. Resultados del ensayo de compresión simple. Nº
ID Muestra GTUMSS
Altura de rebote, N
σci (MPa)
1
002PER002B000R
30,9
39
1.1
Clasificación según ISRM 1981 Moderadamente dura
Ensayo de corte directo sobre fisura predeterminada
Este ensayo determina la resistencia al corte en discontinuidades predeterminadas, el ensayo consiste en aplicar esfuerzos tangenciales sobre la discontinuidad, cuando está sometido a un determinado esfuerzo normal, provocando un desplazamiento relativo entre las dos partes. El ensayo es realizado con diferentes esfuerzos normales, para cada etapa de desplazamiento. A partir de los datos de esfuerzo y desplazamientos producidos se obtienen los parámetros resistentes de la discontinuidad. Se ha llevado a cabo el ensayo de corte sobre fisura predeterminada sobre superficie lisa, el cual proporciona el ángulo de fricción básico. Los resultados del ensayo de corte directo han sido interpretados siguiendo las recomendaciones de Patton (1969), que considera una envolvente lineal promedio. La Tabla 6 presenta el resumen de resultados de este ensayo. Tabla 6. Resumen de resultados del ensayo de corte directo sobre fisura predeterminada (envolvente lineal). Nº 1
5
ID GTUMSS 001PER001N000R
Ángulo de fricción, (º) 28,4
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
American Society For Testing and Materials (2012) “Annual Book of ASTM Standards”, Filadelfia, USA, Vol. 04.08 y 04.09.
Laboratorio de Geotecnia - UMSS
ANEXO A PLANILLAS DE LABORATORIO
Certificado LR 04 - Densidad método medición de dimensiones Correo electrónico
[email protected] Sitio web www.gt.umss.edu.bo Oficina central Av. Petrolera Km 4,2 Secretaría Administrativa c. Sucre esq, P. La Torre Teléfono/Fax (591) 4 4236858 (591) 4 4761466 Casilla 6760
A. DATOS GENERALES Proyecto: Cliente: Localización: Muestra: Profundidad: Coordenadas:
PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri. Serprec Ltda. Mizque 001PER001N000R Superficial ND ; ND Extracción por:
Forma de almacenamiento de la muestra:
Cliente Libre
Supervisor:
Operador: Procesador:
E. Romero R. Escalera D. Párraga
GTUMSS Protegida
Cochabamba, Bolivia
Color seco: Color húmedo: Textura: Intemperización:
---
Fecha de extracción: Fecha del ensayo:
ND 25-oct-13
-Rumbo Plano de estratigrafía Plano de discontinuidad 1 Plano de discontinuidad 2 Plano de discontinuidad 3
Buzam. ----
----
B. DATOS DEL ENSAYO
2
Peso de la roca saturada superficialmente seca, Psss (gf) Peso de la roca seca, Pd (gf) Peso de la roca seca, Pd (kN)
1 318,45 0,00312
328,82 0,00323
Volumen total del núcleo (m3)
1,23E-04
1,26E-04
9,81 -
9,81 -
-
-
2,59 25,39 -
2,61 25,59 -
Peso unitario del agua (kN/m3) Peso de agua en los poroso (gf) Peso de agua en los poros (kN) Volumen de vacíos (m3) C. RESUMEN DE RESULTADOS Densidad seca, ρd (g/cm3) Peso unitario seco de la roca, γd (kN/m3) Gravedad específica, Gs (-) Porosidad, n (-) Absorción, a (%)
Observaciones:
Promedio 2,60 25,49 -
Sólo se obtuvo atraves de este ensayo la densidad del espécimen
---
SUPERVISOR
Laboratorio de Geotecnia - UMSS
DIRECTOR
A - 01
LR 05 - Peso unitario en rocas (Método de la parafina) Correo electrónico
[email protected]
A. DATOS GENERALES
Sitio web www.gt.umss.edu.bo Oficina central Av. Petrolera Km 4,2 Secretaría Administrativa c. Sucre esq., P. La Torre Teléfono/Fax (591) 4 4236858 (591) 4 4761466 Casilla 6760
Proyecto: Cliente: Muestra: Ubicación general: Ubicación específica: Profundidad: Operador Procesado
PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri. Serprec Ltda. 002PER002B000R Coordenadas: Mizque -R. Escalera Fecha de extracción: Fecha de ensayo:
ND ND ND ND -
Cochabamba, Bolivia
B. RESULTADOS
Densidad seca d (g/cm3): Peso unitario seco d (kN/m3): Contenido de humedad w (%):
SUPERVISOR
Laboratorio de Geotecnia - UMSS
2,20 21,58 0,62
DIRECTOR
A-02
Certificado LR 08 004/08 - Ensayo de Desleimiento (ASTM 4644) Correo electrónico
[email protected]
A. DATOS GENERALES
Sitio web www.gt.umss.edu.bo Oficina central Av. Petrolera Km 4,2 Secretaría Administrativa c. Sucre esq., P. La Torre Teléfono/Fax (591) 4 4236858 (591) 4 4761466 Casilla 6760
Proyecto: Cliente: Muestra: Ubicación general: Ubicación específica: Profundidad: Operador Procesado
PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri. Serprec Ltda. 002PER002B000R Coordenadas Mizque Pila Sur V. Oritz Fecha de extracción: D. Párraga Fecha de ensayo:
-ND 30/10/2013
Cochabamba, Bolivia
B. RESULTADOS
Índice de desleimiento, Id(1) (%): Índice de desleimiento, Id(2) (%): Clasificación según el valor de Id(1): Clasificación según el valor de Id(2):
96,47 92,97 Durabilidad alta a media Durabilidad alta a media
Descripción del material retenido en el tambor: Tipo II: El material retenido se constituye de piezas medianas y redondeadas
SUPERVISOR
Referencias:
Notas:
I d(1)
Índice de desleimiento obtenido después de 1 ciclo de rotación y secado.
I d(2)
Índice de desleimiento obtenido después de 2 ciclo de rotación y secado.
DIRECTOR
El índice de desleimiento para segundo ciclo es el propuesto para su clasificación en rocas, sin embargo, las muestras con índice de segundo ciclo de 0 a 10% deben caracterizarse mediante sus índices de desleimiento del primer ciclo.
Laboratorio de Geotecnia -UMSS
A - 03
Certificado LR 02 006/08 - Ensayo de dureza Shore Correo electrónico
[email protected] Sitio web www.gt.umss.edu.bo Oficina central Av. Petrolera Km 4,2 Secretaría Administrativa c. Sucre esq., P. La Torre Teléfono/Fax (591) 4 4236858 (591) 4 4761466
A. DATOS GENERALES PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri. Proyecto: Localización: Presa Uchama Cliente: Serprec Ltda. Descripción muestra: ND 001PER001N000R Identificación muestra: Profundidad: -
Casilla 6760
Buzamiento --
Plano de estratigrafía
Cochabamba, Bolivia
Fecha extracción: 25/10/2013 Fecha del ensayo: Operador: V. Ortiz Procesado : -
Dir. Buzamiento
--
B. DATOS DEL ENSAYO B.1.Datos del equipo: Durómetro TH-132 (Portable testers, Sensor C) Dirección de impacto:
90º Acople: Grande
Energía:
2.7 Nmm (0,027J)
B.2.Datos del ensayo: Número de Impacto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Espécimen 1 64,0 64,9 70,1 66,9 66,1 62,3 57,4 63,8 60,4 65,5 84,7
Espécimen 2 85,9 81,7 79,5 75,4 83,8 86,5 75,6 88,8 76,8 83,0 75,8
12 13 14 15 16 17 18 19 20
80,3 81,1 82,0 76,4 77,4 77,8 80,3 82,3 81,2
84,1 88,6 87,9 88,8 91,4 87,6 80,4 87,3 89,2
72,25 122,95 72,25
83,91 126,11 83,91
Espécimen 3
C. RESULTADOS Dureza Shore Promedio, SHm [Sides] Volumen [cm3] Dureza Shore corregido, She [Sides] Dureza dinámica Shore, SH [Sides]
SUPERVISOR
Laboratorio de geotecnia - UMSS
78
DIRECTOR
A - 04
Certificado LR 02 006/08 - Ensayo de dureza Shore Correo electrónico
[email protected] du.bo Sitio web www.gt.umss.edu.bo Oficina central Av. Petrolera Km 4,2 Secretaría Administrativa c. Sucre esq., P. La Torre
A. DATOS GENERALES PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri. Proyecto: Localización: Mizque Cliente: Serprec Ltda. Descripción muestra: ND Identificación muestra: 001PER001N000R Profundidad: -
Teléfono/Fax (591) 4 4236858 (591) 4 4761466 Casilla 6760 Cochabamba, Bolivia
Buzamiento --
Plano de estratigrafía
Fecha extracción: 25/10/2013 Fecha del ensayo: V. Ortiz Operador: Procesado : -
Dir. Buzamiento
--
B. DATOS DEL ENSAYO B.1.Datos del equipo: Durómetro TH-132 (Portable testers, Sensor C) Dirección de impacto:
90º Acople: Grande
Energía:
2.7 Nmm (0,027J)
C. RESULTADOS
Dureza dinámica Shore, SH [Sides] 3 Peso unitario seco d (kN/m )
Resistencia a la compresión uniaxial, UCS [MPa]
SUPERVISOR
Laboratorio de geotecnia - UMSS
78 25,49 181
180.60
DIRECTOR
A - 05
Certificado LR 15 - Ensayo del Martillo de Schmidt (ASTM D 5873-95) Correo electrónico
[email protected] Sitio web www.gt.umss.edu.bo Oficina central Av. Petrolera Km 4,2 Secretaría Administrativa c. Sucre esq, P. La Torre Teléfono/Fax (591) 4 4236858 (591) 4 4761466
A. DATOS GENERALES Proyecto: Cliente: Ubicación general: Ubicación específica: Coordenadas UTM:
PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri. Serprec Ltda. Fecha extracción: ND Mizque Fecha del ensayo: 2013/10/30 _ Operador: V. Ortiz Procesado : D. Párraga X: ND Y: ND Z: ND Superficial 002PER002B000R
Casilla 6760 Cochabamba, Bolivia
Profundidad: Identificación muestra:
B. DATOS TÉCNICOS B.1. Descripción del equipo Martillo Schmidt: Energía:
Tipo L 2,8
C. RESULTADOS Disparo
Altura de rebote kN
Lecturas válidas MPa
1
31,50
31,50
2
30,00
30,00
3
40,00
n
4
30,00
30,00
5
32,00
32,00
6
32,00
32,00
7
30,00
30,00
8
31,50
31,50
9
30,00
30,00
10
31,00
31,00
Promedio
30,89
Altura de rebote: Resistencia a compresión no confinada (MPa):
SUPERVISOR
Laboratorio de Geotecnia - UMSS
30,9 39
DIRECTOR
A - 06
LR 17 - Ensayo de corte directo sobre fisura predeterminada (máquina portátil tipo Hoek, ISRM 1981) Correo electrónico
[email protected] Sitio web www.gt.umss.edu.bo Oficina central Av. Petrolera Km 4,2 Secretaría Administrativa c. Sucre esq, P. La Torre Teléfono/Fax (591) 4 4236858 (591) 4 4761466
A. DATOS GENERALES Proyecto: Cliente: Localización: Coordenadas:
PS 052/13 Ensayos de laboratorio de rocas. Puente Kuri. Serprec Ltda. Fecha extracción: Mizque Fecha del ensayo: 30/10/2013 Operador: V. Ortiz Procesado: -
B. DATOS DE LA MUESTRA
Casilla 6760 Cochabamba, Bolivia
Identificación muestra: 001PER001N000R Profundidad (m): ND Inclinación según la vertical de sondeo: ND Diámetro, (mm): 47,50
Descripción: Buzamiento: Dir. buzamiento Método de extracción: Área de Corte (mm2): Cont. de humedad , w (%):
ND
Inclinación del plano de falla:
Desplazamiento máximo de la máquina (mm):
ND ND ND Manual 1754,31 ND
Tiempo de consolidación, (min): 10,00
21,50
C. GRAFICAS
Curvas Esfuerzo de Corte Deformación
Envolvente de Falla Lineal 4500
4500 Pn=0,5 kN
4000
4000 Pn=1,0 kN
3500
3500 y = 0,5411x
3000
Pn=4,0 kN
2500
Pn=6,0 kN
Esfuerzo de corte (kPa)
Esfuerzo de corte (KPa)
Pn=2,0 kN
Pn=8,0 kN
2000
Pn=10,0 kN
1500
Pn=12,0 kN
1000
3000 2500 2000 1500 1000 500
500
0 0
0 0
50
100
150
200
250
300
350
2000
4000
6000
8000
Esfuerzo normal (kPa)
Desplazamiento (mm x 10-2)
D. RESULTADOS
Ángulo de fricción interna básico, b (º). Cohesión, c' (MPa):
Laboratorio de Geotecnia - UMSS
28,4 0,0
A - 07
ANEXO 3 MODELACIONES NUMERICAS
55
ANALISIS DE ESTABILIDAD TALUD NORTE Resumen de los coeficientes de seguridad
FACTOR GENERAL DE SEGURIDAD (TALUD NORTE) CASOS Y SITUACION DE ANALISIS
TALUD NATURAL
EXCAVACION CON LOSA DE FUNDACION DIRECTA
CASO A
SECO
3,95
3,43
CASO B
SATURADO
2,71
2,44
CASO C
SATURADO+SISMO
2,00
1,78
CASO A Talud Natural
Talud Natural, estado inicial
56
Talud natural desplazamiento total
57
Excavación con losa de fundación
Excavación con losa de fundación directa, estado inicial
Excavación con losa de fundación directa, estado inicial
58
Excavación con losa de fundación directa, desplazamiento total
59
CASO B Talud Natural
Talud Natural, estado inicial
Talud natural desplazamiento total
60
Excavación con losa de fundación directa
Excavación con losa de fundación directa, estado inicial
Excavación con losa de fundación directa, estado inicial
61
Excavación con losa de fundación directa, desplazamiento total
62
CASO C Talud Natural
Talud Natural, estado inicial
Talud natural desplazamiento total
63
Excavación fundación superficial
Excavación con losa de fundación directa estado inicial
Excavación con losa de fundación directa estado inicial
64
Excavación con losa de fundación directa, desplazamiento total
65
TALUD SUR Resumen de los coeficientes de seguridad
FACTOR GENERAL DE SEGURIDAD (TALUD SUR)
CASOS Y SITUACION DE ANALISIS
TALUD NATURAL
FUNDACION CON LOSA DIRECTA
CASO A
SECO
3,07
2,17
CASO B
SATURADO
2,20
1,77
CASO C
SATURADO+SISMO
1,63
1,27
CASO A Talud Natural
Talud Natural, estado inicial
66
Talud natural desplazamiento total
67
Excavación con losa de fundación directa
Excavación con losa de fundación directa, estado inicial
Excavación con losa de fundación directa, estado inicial
68
Excavación con losa de fundación directa, desplazamiento total
69
CASO B Talud Natural
Talud Natural, estado inicial
Talud natural desplazamiento total
70
Excavación con losa de fundación directa
Excavación con losa de fundación directa, estado inicial
Excavación con losa de fundación directa, estado inicial
71
Excavación con losa de fundación directa, desplazamiento total
72
CASO C Talud Natural
Talud Natural, estado inicial
Talud natural desplazamiento total
73
Excavación fundación superficial
Excavación con losa de fundación directa estado inicial
Excavación con losa de fundación directa estado inicial
74
Excavación con losa de fundación directa, desplazamiento total
75