«Taludes Excavados en Roca». Conferencia de Manuel Romana en el 2º Simposio Suramericano de Excavaciones en Rocas

La Sociedad Española de Mecánica de Rocas ha publicado en su web una amena y extensa conferencia de Manuel Romana Ruiz sobre “Taludes Excavados en Roca” perteneciente al 2º Simposio Suramericano de Excavaciones en Rocas celebrado en Costa Rica en agosto de 2012.

Es un artículo muy interesante, en tono divulgativo, sobre cuestiones conceptuales, criterios de estabilidad (tratando por separado taludes mineros, taludes en vías de comunicación y taludes en obras hidráulicas), distinciones entre métodos numéricos y métodos de equilibrio límite, futuras tendencias y muchos, muchos casos reales, algunos de ellos mencionados ya en el blog, como el recalce de la torre norte del castillo de Denia o las cunetas Ritchie para desprendimientos, por ejemplo.

Taludes Excavados en Roca. Conferencia de Manuel Romana en el 2º Simposio Suramericano de Excavaciones en RocasManuel Romana. Taludes Excavados en Roca (pdf – 2,5 MB)

Mecánica de rocas y restauración, el recalce de la Torre Norte del Castillo de Denia

Detalle del Recalce de la Torre Norte del Castillo de Denia

Hablar de mecánica de rocas en restauración puede parecer exagerado pero en el caso del recalce de la Torre Norte del Castillo de Dénia funcionó bastante bien.

Vista del Recalce de la Torre Norte del Castillo de Denia

Para entender el problema es necesario hacer una breve introducción histórica:

Los castillos inexpugnables y las altas murallas pasaron a mejor vida con el desarrollo de la artillería. Las murallas que antes proporcionaban seguridad y el castillo en el que buscar refugio se convirtieron, con el pasar de los años, en un molesto obstáculo contra el desarrollo urbanístico y un montón de piedras allá en lo alto, respectivamente.

Vista del Castillo de Denia antes de explotar la cantera

Vista del castillo de Dénia, antes de sufrir daños en su ladera norte

En el caso de Dénia, en la costa norte de Alicante, el castillo quedó seriamente dañado tras la Guerra de la Independencia, pero los problemas habían empezado un siglo antes, más concretamente el 17 de noviembre de 1708, con la rendición de la ciudad ante los 10.000 infantes, 1.500 hombres a caballo y 24 cañones del sanguinario Mariscal D’Asfeld, aventajado discípulo del Mariscal Vauban (si, el de los contratistas), a las ordenes de Felipe V (el número de tropas varía, según las fuentes).

En 1612, Felipe III (de Austria) había otorgado a Dénia el título de ciudad (que el Duque de Lerma, favorito del Rey, fuera también marqués de Dénia tiene mucho que ver). La nueva ciudad devolvió el favor unos años después siendo la primera de la Corona de Aragón en proclamar rey al Archiduque Carlos de Austria, proclama que le salió muy cara. La guerra de sucesión la ganaron los Borbones, y Dénia -como casi todas las poblaciones de la Corona de Aragón- había apoyado al bando perdedor… la ciudad fue destruida, sus bienes confiscados y sus habitantes expatriados, quedando únicamente 144 personas… ya lo dijo el galo, vae victis.

Sin embargo, el puerto de la ciudad estaba muy bien situado, tanto que es eso lo que decide que se reincorpore de nuevo a la corona en 1804. Lo malo es que, pese a su evidente potencial, la ciudad había apoyado a los Austrias, así que los sucesivos informes técnicos sobre la conveniencia de reparar, dragar y ampliar el puerto fueron pasando de mano en mano sin pena ni gloria.

Entre 1867 y 1873 se derriban las murallas para permitir la expansión de la ciudad, la piedra se aprovecha para construir y el relleno para colmatar zonas húmedas próximas (doy fe, he hecho sondeos cerca del castillo con ensayos SPT de 0 golpes -si, cero golpes-). Quizá por eso, en 1892 deciden que ya es hora de tener un puerto en condiciones, proyecto que redactará una autoridad en el tema, Rafael Yagüe Buil, Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, autor también de los puertos de Gandía y Málaga.

El problema es, para variar, económico. La piedra es cara y no hay dinero… lo que si hay es un castillo muy cerca del puerto… un castillo en lo alto de un macizo rocoso… un castillo que ya no se usa para nada… decidido, sacarían la piedra de la ladera norte del castillo.

Las obras del puerto tardarían años en terminarse, entre la gripe de 1918 y una plaga de filoxera que se cargó las cosechas de vid, la zona tardó años en levantar cabeza, pero la cantera se explotó, vaya si se explotó, así quedó la ladera norte del castillo… y así sigue hasta el día de hoy.

Vista aérea de la cantera del Castillo de Denia

Postal de la cantera y el castillo de Denia

La cantera también tuvo su momento de gloria en las postales

Demos ahora un salto temporal. Estamos en 1984, se llevan las hombreras y el pelo cardado, en los 40 Principales suena el Blue Jean de David Bowie, el hueco de la cantera está ocupado por un Instituto de Formación Profesional y el talud, pese a conservarse en buen estado, presenta caídas ocasionales (es de piedra, pero los años no perdonan). En previsión de un disgusto (son niños, pero a veces se les coge cariño), se decide colocar un pequeño muro de contención de 3 m de altura y un colchón de algas que amortigüe las caídas, a modo de cuneta Ritchie, solución que pinta mal y huele todavía peor.

Castillo de Denia

Vista actual del castillo de Denia (Fuente: Flickr)

Para colmo de males, uno de los bloques desprendidos descalza la Torre Norte del castillo, momento en el que deciden tomarse el tema en serio, no sea que pase algo.

Vista del Puerto de Denia desde la cantera

El puerto desde la cantera, con la torre norte en segundo plano, todavía en buen estado

El “Estudio de la estabilidad del talud norte y recalce de la torre norte del Castillo de Denia, Alicante” fue encargado por la Dirección General de Bellas Artes de la Consellería de Cultura de la Generalitat Valenciana a la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Valencia, siendo sus autores Manuel Romana Ruiz, Francisco A. Izquierdo Silvestre y José B. Serón Gáñez.

El talud tiene una longitud de 105 metros, con una altura máxima de 45 metros, una inclinación de 70º-90º y una dirección de buzamiento de 330º. Las murallas se encuentran justo en coronación del talud (si, explotaron la cantera al máximo) y tienen una altura aproximada de 10 metros, según zonas. El macizo está formado por calizas cretácicas margosas en bancos de potencia métrica, con karstificación y diaclasado vertical, ligeramente meteorizadas (grado II), con un RQD del 75-90%, un RMR básico de 79-84 y una resistencia a compresión simple de 45-67 MPa.

Vistos los datos anteriores es evidente que a) la roca es bastante buena (por eso se la llevaron al puerto) y b) son las discontinuidades las que están creando problemas. El estudio de campo mostró tres familias de discontinuidades, además de la estratificación, representadas en proyección estereográfica más abajo. En general se trata de discontinuidades onduladas-rugosas (con un JRC de 10-15), continuas, con una apertura de 1 a 5 mm, espaciamientos de 0,60-2,00 m y relleno de calcita y arcilla de decalcificación.

Proyección estereográfica medidas castillo de Denia

En el caso de la Torre Norte, además del desplome del paramento podía darse también una rotura plana a favor de una de las familias de discontinuidades, de orientación casi paralela al talud, así que se planteó una reparación en dos partes (ejecutada en verano de 1985).

En una primera fase, calculado el volumen que podía deslizar (≈41 m³), se saneó el talud y se diseñó un “tacón” anclado mediante bulones a la resina, de Φ22 mm y longitudes de 1 a 4 metros en una malla de 2,5 bulones/m². Hecho esto se colocaron varias capas de malla de alambre de triple torsión de Φ3 mm, y hormigón proyectado o gunita hasta reconstruir la cuña deslizada, dejando ya preparadas las cabezas de anclaje.

Esquema del Recalce de la Torre Norte del Castillo de Denia

Posteriormente, creada ya la “cuña de anclaje”, se perforaron y tesaron siete anclajes de cable a 1.000 KN para aumentar la resistencia a corte del plano de rotura, asegurando una posible caída de todo el conjunto (≈355 m³) a favor de la rotura plana ya mencionada.

Esquema del Recalce de la Torre Norte del Castillo de Denia

A día de hoy, los anclajes casi no se ven (se notan mucho más los arreglos en el paramento de la torre) y todo sigue en su sitio, que es lo importante.

Detalle del Recalce de la Torre Norte del Castillo de Denia

Por cierto, con el tiempo pensaron que eso de tener un instituto justo debajo del talud no era una buena idea, por aquello de que los niños son el futuro y deben crecer sanos para pagar impuestos, así que decidieron poner algo menos valioso, por lo que pudiera pasar… actualmente el hueco lo ocupa la sección de urbanismo del Ayuntamiento de Dénia… no, no es broma, allí está.

 

Notas:

  • Un instituto en la ladera norte de un talud casi vertical de 45+10 metros de altura, menos mal que en Dénia hace buen tiempo, que si no…
  • Existe una propuesta para restaurar la pendiente original de la ladera creando un hueco de usos múltiples (auditorio, piscinas, etc). La idea no es mala pero… bueno, teniendo en cuenta que el nivel freático está apenas a dos o tres metros de profundidad y que plantea excavar tres sótanos en roca me parece a mi que todavía tardará en llevarse a cabo (pegadle un vistazo a la descripción del proyecto, a ver qué os parece la justificación cristalográfica de la geomorfología de la ladera).
Propuesta restauración de la cantera del castillo de Denia
  • George R. R. Martin se inspiró en la Guerra de las Dos Rosas (Lancaster = Lannister) para Juego de Tronos, ¿no hay nadie que haga lo mismo con la Guerra de Sucesión Española? tendría mucha más intriga.
  • El castillo dejó de repararse con propósitos defensivos en 1828. En 1859 se ordenó su derribo pero no llegó a ejecutarse al pasar a manos privadas. En 1952 el ayuntamiento lo recuperó de nuevo.
  • En 1895, aprobada la construcción del puerto, el Alcalde de Dénia decía: “Rafael Yagüe, ingeniero, autor del proyecto, que con un desprendimiento y abnegación superiores a todo elogio, no sólo hizo frente a los considerables gastos que llevan consigo los estudios y confección de planos, sino que también, con su proverbial actividad y con un celo nunca bien apreciado, ha puesto al servicio de Denia todo su talento y todas sus energías. Los diques del puerto serán el monumento que perpetúe la memoria del ilustre ingeniero”… es una pena, pero los diques no se comen, fallecido Yagüe en 1899, su familia todavía solicitaba en 1907 que se abonaran los honorarios de proyecto.

«El desmonte del Rabat, una rotura anunciada», por Manuel Romana

En noviembre de 1987, el talud del desmonte del Rabat cayó sobre la autopista AP-7 a la altura de La Font d’En Carròs, en Valencia. Lo curioso del asunto es que se trataba de una rotura anunciada y esperada, hasta tal punto que unos meses antes se había preparado ya una variante de 1 km de longitud, descartadas otras soluciones mucho más caras.

El desmonte en 1987 con la variante provisional, de dos carriles

La comarca de La Safor, en el límite entre Valencia y Alicante, es conocida por sus playas, pero también por su exagerada pluviometría y el pésimo comportamiento geotécnico del terreno, casi marjal en muchos puntos. Este mal comportamiento, unido a una gran densidad de poblaciones (31 municipios en 430 km²) obligaba a proyectar la Autopista del Mediterráneo, la actual AP-7, lo más pegada posible a las montañas.

Por desgracia, entre caminos, carreteras, acequias, campos y pueblos quedaba poco sitio para la autopista y, para terminar de arreglarlo, presiones locales “cambiaron” la traza del proyecto una vez empezadas las obras, obligando a hacer un desmonte en un pequeño cerro (El Rabat) que presentaba señales de movimientos previos… vamos, que la cosa no pintaba nada bien.

El desmonte en Google Maps (enlace) con la variante definitiva (2002)

Si tenemos un talud inestable con señales evidentes de haberse movido, más nos vale olvidarnos de los parámetros pico y trabajar con parámetros residuales, lo malo es que quitar peso en la parte inferior creando un desmonte tampoco es lo más aconsejable, que digamos.

En principio, mientras no aumente el peso en la parte superior del talud no debería haber problemas… desgraciadamente, la lluvia es agua, el agua pesa, cuando el talud se satura, pesa todavía más y la lluvia en La Safor es como la española cuando besa, porque allí “cuando llueve, llueve de verdad”.

Cronología de los acontecimientos:

  • Noviembre de 1985, se registran 500 mm de lluvia en 24 horas, caen algunos tramos del talud, se parchean y todo arreglado, aquí no ha pasado nada, venga, circulen.
  • Abril de 1986, saltan las alarmas, el desmonte se mueve, es un hecho. Se instrumenta el talud con 23 sondeos, 12 bases topográficas y 9 inclinómetros.
  • Noviembre de 1986, la grieta se ha abierto 260 mm en 200 días. Se delimita la zona inestable, tiene un desnivel de 80 m, una anchura de 150 m, un espesor de 20 m y todos los boletos para caerse, la cuestión es ¿cuándo…?
  • Septiembre de 1986, a la vista de los resultados del modelo de predicción, se aconseja la construcción de una variante.
  • Verano de 1987, se construye la variante… por si acaso aciertan, que es una autopista de peaje y el cliente manda.
  • Noviembre de 1987, se abre el grifo, 817 mm en 24 horas, record nacional de pluviometría en España, todavía no superado… el talud cae sobre la autopista.

La previsión temporal del deslizamiento y el análisis de la solución corrieron a cargo de Manuel Romana Ruiz, el mismo que firma este interesante artículo resumen presentado en el II Simposio sobre Taludes y Laderas Inestables de Andorra la Vella de 1988. La comunicación está dividida en dos partes, primero tiene un pequeño “estado del arte” de la parametrización temporal de deslizamientos (por supuesto, no falta el de Chuquicamata) y más tarde estudia la estabilidad del talud y el criterio de predicción a partir de las velocidades medidas en los corrimientos.

 
 
 

Vista actual (2008) desde La Font d’En Carròs (Fuente: Panoramio).

Servicios Técnicos de Mecánica de Rocas (STMR) estrena blog

Vía comunicación personal de su presidente, Manuel Romana Ruiz, me entero de que Servicios Técnicos de Mecánica de Rocas (STMR), empresa muy conocida por sus cursos de formación sobre mecánica de rocas, mejora del terreno, túneles, taludes, etc. y con la que estuve colaborando hace ya algunos años (caramba, cómo pasa el tiempo), también se ha decidido a probar el formato blog.

En principio el blog se va a utilizar para mejorar la comunicación con todas aquellas personas interesadas en sus cursos de formación, tal y como indica su entrada de presentación, pero en el futuro está previsto utilizarlo también para compartir noticias y artículos técnicos. Es de suponer que entre estos últimos no faltarán los dedicados a túneles y clasificaciones geomecánicas, especialmente a la clasificación geomecánica SMR para taludes, producto de la casa, así que, ya sabéis, añadid “Blog STMR” a vuestra lista de favoritos o lector RSS para estar al tanto de todas las novedades.

 blog de Servicios Técnicos de Mecánica de Rocas (STMR) Pulsa en la imagen para ir al blog
 

Una breve historia de la mecánica de rocas

El comportamiento de un macizo rocoso es muy distinto del comportamiento de un suelo. En un macizo rocoso los esfuerzos actuantes se rigen por fenómenos muy complejos y de muy difícil modelización, hay tensiones litoestáticas, tensiones de membrana, tensiones tectónicas, microtectónicas, de fracturación local, sísmicas, de decompresión, paleoesfuerzos, efectos térmicos, etc.

Además, puesto que el terreno se va a excavar de todos modos, es habitual no hacer ensayos in situ (gato plano, doostopper, célula CSIR) y proceder directamente a la excavación… a ver qué sale y qué pinta tiene.

Pongamos como ejemplo la distribución teórica de tensiones en un macizo rocoso debido a la excavación de un túnel. Es un problema conocido y estudiado en profundidad… y en teoría, porque las ecuaciones están muy bien, pero en el mundo real el terreno nunca es homogéneo, la fracturación siempre es errática y en túneles someros, en los que predominan los efectos de la fracturación sobre las tensiones, el sostenimiento tiene más problemas por caídas de cuñas y filtraciones que por las propias tensiones naturales.

En 1962, la Mecánica de Rocas, bajo la insistencia de la Escuela Austriaca, con Stini y Müller al frente, se desvincula de la Sociedad Internacional de Mecánica del Suelo, con la pública oposición del fundador de la ciencia geotécnica, Karl Terzaghi.

Y justamente en esta época se producen dos hechos desafortunados:

– Diciembre de 1959, falla la cimentación de la presa bóveda de Malpasset, en Francia, provocando 450 muertos.

El ingeniero proyectista A. Coyne, presidente de la International Comission on Large Dams y profesor de la École Nationale des Ponts et Chaussées de París explicaba en sus clases sólo unos meses antes:

“Es raro y probablemente un caso único en ingeniería [encontrar] un tipo de estructura que no haya colapsado nunca. Pero, a pesar de las apariencias, a pesar de su forma esbelta y líneas elegantes y fuertes tensiones, es un hecho que la presa bóveda es la más segura de las estructuras. Esto es simplemente una confirmación adicional de lo que se ha conocido durante miles de años sobre la estabilidad de los arcos. […] nada serio le puede pasar a una presa bóveda […] con tal de que sus estribos resistan.”

Y falló el estribo… el reconocimiento de campo posterior mostró que la presa había fallado por el deslizamiento de una cuña sobre una falla (no detectada antes) en la cimentación del estribo izquierdo, en un terreno formado por gneises foliados muy fracturados pero impermeables bajo el efecto de las subpresiones.

Para terminar de arreglarlo, los ensayos in situ mostraron una elevada disparidad entre los datos reales y los considerados para el dimensionamiento de la cimentación, para la que apenas se realizaron ensayos de campo.

En octubre de 1963, un deslizamiento en la presa de Vajont (Italia) provoca la total destrucción, aguas abajo, de la población de Longarone, con un saldo aproximado de 2.000 muertos.

Tras unos días de fuertes lluvias la auscultación indicaba la posibilidad de movimientos en la ladera izquierda, por lo que se decidió rebajar la cota de embalse. Problemas en las compuertas retrasaron la operación, momento en el que se produjo el movimiento sísmico que desencadenó la caída de una masa aproximada de 300 millones de m³ de tierras a un embalse que acumulaba en aquellos momentos 150 millones de m³ de agua.

Vajont en el Corriere della SeraLos estudios realizados desde entonces sugieren que la caída vino gobernada por parámetros residuales bajo cargas dinámicas (algo que no se tenía en cuenta en aquellas fechas) y fenómenos de tipo termodinámico (el rozamiento en la caída provocó temperaturas de hasta 120 ºC) que ni siquiera hoy se tienen en cuenta. Pasados los años el mecanismo del deslizamiento aún no ha sido explicado satisfactoriamente.

Tras estudiar el desastre de Vajont, Terzaghi escribe:

«[…] las curvas de frecuencia de diaclasas no pueden construirse con ningún grado de seguridad si no se realizan cientos de mediciones, […] si los expertos en Mecánica de Rocas no resisten la tentación de hacer pocos ensayos por razones económicas, los riesgos envueltos en la construcción de presas de fabrica cimentadas en roca aumentarán fuertemente

 

El problema de la mecánica de rocas es evidente. El suelo es un medio más o menos continuo y, hasta cierto punto, sus propiedades pueden ser «extrapolables», pero hacen falta muchos, muchísimos ensayos de campo para caracterizar de un modo fiable las propiedades geomecánicas de un macizo rocoso y, francamente, que el “Nuevo Método Austriaco o NATM” se defina más como una filosofía que como un método constructivo no ayuda (por si acaso, el autor lo patentó, es la Patentschrift Nr. 165573, Österreichisches Patentamt).

Siguiendo con la historia, hay que decir que la actitud de los expertos en mecánica de rocas de aquella primera época seguía siendo dogmática incluso después de los accidentes, con métodos basados en principios de la mecánica de medios continuos bajo consideraciones estáticas, opiniones personales y subjetivos coeficientes correctores.

“Después de 25 años viendo túneles, puedo sentir el comportamiento de las rocas, puedo hablar con las rocas y entender su geología. ¡Yo no necesito ensayos!”

Müller en 1970, citado por Bieniawski.

– Entre 1973 y 1989, Bieniawski utiliza cinco parámetros básicos (resistencia a compresión simple, RQD, estado de las juntas, frecuencia de las juntas y presencia de agua) para desarrollar  el RMR (Rock Mass Rating) como sistema de caracterización del terreno,  presentando las primeras correlaciones entre el RMR y el módulo de deformación, permitiendo así hacer cálculos basados en teorías elásticas.

– En 1980, Hoek y Brown enuncian un criterio de rotura a partir de ensayos de laboratorio sobre muestras de la matriz rocosa y correcciones en función del RMR obtenidas mediante estadísticas (a partir de seis tipos de calidad del macizo -desde roca intacta a roca de mala calidad- y cinco tipos de composición de la roca -desde metamórficas hasta carbonatadas).

También estudian la variación de las propiedades del macizo con la orientación de las juntas y el número de familias, lo que permite introducir en el criterio macizos rocosos estratificados.

Se trata de un criterio cuadrático, pero para un cierto rango de tensiones puede asimilarse a la formulación lineal de Mohr-Coulomb, lo que populariza su uso al permitir aplicar las fórmulas clásicas de la mecánica de suelos.

– Entre 1994 y 1997, Hoek introduce un nuevo parámetro, el GSI (Geological Strength Index), para poder tener en cuenta otros factores, como la foliación, los rellenos, la forma de los bloques y el contenido en finos, entre otros, lo que permite incluir en el criterio macizos ¿rocosos? de mala calidad, con un comportamiento intermedio entre suelo duro y roca blanda, no contemplados en el criterio inicial de Hoek y Brown.

 

A día de hoy, no hay ningún método analítico en mecánica de rocas que no incluya el RMR, el GSI o el criterio de Hoek y Brown. Algo que conviene tener en cuenta porque, dado su origen, son métodos que se hallan en constante revisión (Hoek modifica su criterio periódicamente) que no deben ser utilizados fuera del rango de valores en el que fueron obtenidos…. pero claro, ya se sabe, el ordenador es tan cómodo…

 

El planteamiento que se sigue habitualmente a la hora de predimensionar un macizo rocoso parte de un reconocimiento de campo, una recopilación de datos geomecánicos y la realización de clasificaciones geomecánicas, dejando formulaciones más exactas, mediante elementos finitos (PLAXIS) o diferencias finitas (FLAC), para proyectos «grandes» o instrumentación.

En los túneles, el procedimiento de campo tampoco ha variado mucho, lo habitual sigue siendo tomar varios puntos de observación (sondeos) a lo largo de la traza, cada 75/100 metros, e interpolar el terreno entre ellos para establecer un perfil tipo del macizo, perfil que únicamente será válido (y tampoco mucho) en caso de que no varíe la traza a última hora por caprichos políticos…

Y luego vienen los sobrecostes, claro…

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