Caracterización geomecánica de discontinuidades y su
aplicación a la clasificación geomecánica Slope Mass Rating
(SMR) del macizo rocoso de la Serra Grossa.

RESUMEN

En el presente trabajo se realiza el estudio de las características geométricas de las discontinuidades de un talud, localizado en el frente de una antigua cantera en Alicante, empleando un equipo de 3D laser scanner para la obtención de los datos que conforman la nube de puntos a partir de la cual, y mediante tratamiento con software, se definen características como las familias de juntas presentes, su orientación, el espaciado, la persistencia, etc. El estudio de las nubes de puntos 3D obtenidas mediante la nstrumentación láser se lleva a cabo empleando el software CloudCompare y Discontinuity Set Extractor (DSE). Complementariamente, se realiza el trabajo de campo, de forma tradicional, para determinar los demás parámetros necesarios, relativos a la caracterización de la roca matriz y la presencia de agua, para el cálculo del índice SMR.

INTRODUCCIÓN

El presente documento se desarrolla siguiendo una estructura que se define según tres apartados diferenciados. En una primera parte, bajo el epígrafe “Antecedentes” se expone la base de conceptos y el estado del arte relacionados con la temática. Una segunda parte, en la que se expone la metodología seguida para la aplicación de la técnica objeto de estudio así como un caso práctico cuyo objetivo es la obtención del valor de calidad del macizo según el índice de calidad Slope Mass Rating (SMR), mediante aplicación de la técnica de estudio. Y una tercera parte, en la que se exponen los resultados y onclusiones del studio, así como una discusión sobre los resultados obtenidos en el caso práctico.
En el presente trabajo se realiza el estudio de las características geométricas de las discontinuidades de un talud, localizado en el frente de una antigua cantera en Alicante, empleando un equipo de 3D laser scanner para la obtención de los datos que conforman la nube de puntos a partir de la cual, y mediante tratamiento con software, se definen características como las familias de juntas presentes, su orientación, el espaciado, la persistencia.
Complementariamente se lleva a cabo el trabajo de campo, de forma tradicional, para determinar los demás parámetros necesarios, relativos a la caracterización de la roca matriz y la presencia de agua, en el cálculo del índice SMR.
Por último, se realiza la caracterización geomecánica de un talud localizado en el relieve denominado Serra Grossa (Figura 1) en el casco urbano de la ciudad de Alicante.

El enfoque de este trabajo está orientado a la identificación y caracterización de familias de iscontinuidades y su aplicación a la evaluación de la estabilidad de taludes y de la calidad del macizo rocoso. La finalidad de este trabajo es el estudio y puesta en práctica de dos de las metodologías existentes en la actualidad para la identificación y caracterización de los parámetros geométricos de las discontinuidades presentes en un afloramiento. Asimismo, se pretende llevar a cabo la evaluación de la calidad geomecánica del talud mediante la obtención y análisis de la nube de puntos 3D adquirida con instrumentación láser (LiDAR). El emplazamiento se ha seleccionado en parte atendiendo a la facilidad de acceso a la zona de estudio, a las condiciones del relieve para la colocación de la instrumentación, así como a la posibilidad de tener un fácil y accesible posicionamiento de las dianas de referencia, sobre todo por las circunstancias personales que se dan en el momento de la realización de la campaña de campo, además de los condicionantes más abajo descritos. Los principales condicionantes de este trabajo son:

3.- Emplazamiento y localización de las dianas de referencia. Para el buen
funcionamiento y consecución de la aplicación de las técnicas desarrolladas en
el presente trabajo es necesaria la disposición de una serie de dianas que servirán
de referencia en el alineamiento de las nubes de puntos 3D obtenidas en los
diferentes barridos realizados con el escáner láser durante la adquisición de
datos para la posterior obtención del modelo 3D del talud que será procesado
para la caracterización de las discontinuidades. Estas dianas deben ser visibles y
permanecer en las mismas condiciones y disposición en todos y cada uno de los
escaneados, lo que debe ser tenido en cuenta para su emplazamiento.

Para ello se lleva a cabo el estudio del estado del arte y de la
práctica mediante una investigación bibliográfica y la aplicación a un caso práctico,
para en este último, llegar a establecer el valor de calidad del talud, objeto de estudio en
el caso práctico, mediante la clasificación geomecánica Slope Mass Rating (SMR).
Se realiza una campaña de campo en la que se identifican y definen los factores
necesarios en la caracterización de la roca matriz, así como la toma de datos, mediante
instrumentación específica del talud para su posterior procesado y tratamiento en
laboratorio. A partir del cual se obtendrán los valores necesarios aplicables a la
clasificación geomecánica para la obtención de un valor de calidad del macizo.

ANTECEDENTES:

El conocimiento del comportamiento del terreno es fundamental para la correcta concepción y diseño de infraestructuras o estructuras que, bien asienten sobre este o bien requieran la estabilidad de su relleno o excavación, como es el caso de los túneles.
Es por esto que los estudios geológicos-geotécnicos son absolutamente necesarios para poder proyectar y construir una obra subterránea. Dentro de la amplia variedad de usos del espacio subterráneo, todos los túneles se excavan basándose su diseño en la seguridad y la economía.
Por ello, el conocimiento geológico en los túneles no solo es necesario para proyectar adecuadamente el túnel, sino fundamental para evitar sobrecostes, accidentes y retrasos imprevistos. Las investigaciones geológicas de los túneles son, en general, más costosas que en otras obras de ingeniería civil. Sin embargo, el no dedicar suficientes medios a estos estudios puede conducir a situaciones imprevistas (de Vallejo & Ferrer, 2011) que afecten a la seguridad y economía tanto del proyecto como del personal que se encarga de hacerlo posible.
La mecánica de rocas se desarrolla como consecuencia de la utilización del entorno geológico para ejecutar obras superficiales y/o subterráneas, entre otros, en ámbitos en los que el material rocoso forma parte de la estructura, como es el caso de los túneles, galerías, taludes, etc. Esta consiste en el estudio y caracterización tanto de la matriz rocosa como de las discontinuidades y el macizo rocoso en su conjunto y tiene como objetivo la evaluación del comportamiento geomecánico de los mismos.
Las masas rocosas aparecen en la mayoría de los casos afectados por discontinuidades o superficies de debilidad que dividen la matriz rocosa o roca intacta para constituir el conjunto denominado macizo rocoso. Aún si la matriz rocosa es objeto de estudio de la mecánica de rocas son los planos de discontinuidad el factor diferenciador de esta disciplina con respecto a otras.
La mayoría de los problemas de estabilidad se deben a la intersección de la sección del túnel con planos de discontinuidad. Es por esto que la caracterización de los macizos rocosos y, en particular, su fracturación ha atraído el interés de los investigadores desde hace décadas. (Corominas & Mavrouli, 2009). El conocimiento del patrón de fracturación de los macizos rocosos tiene relevancia debido a sus múltiples aplicaciones, entre ellas la ejecución de los taludes y los túneles, pues de él depende el
comportamiento del terreno, fundamental para estos tipos de obra, en los que el este forma parte de la estructura.
Las discontinuidades casi nunca se disponen en el espacio de forma aleatoria, sino que siguen un patrón espacial relacionado con la historia geológica de la roca (Price, 1966).

Las discontinuidades hacen que la mecánica del medio rocoso presente un carácter discontinuo y anisótropo, especialmente cerca de la superficie. Cuando se excava un macizo rocoso se modifican las condiciones iniciales del medio rocoso, el cual responde a estos cambios deformándose y/o rompiéndose y así, son los planos de debilidad los que controlan los procesos de deformación y rotura (de Vallejo & Ferrer, 2011) en los macizos a cotas superficiales, donde se realizan la mayoría de las obras de ingeniería.
El número de discontinuidades, sus características (espaciado, alteración, persistencia, relleno, rugosidad), junto con las propiedades de la roca matriz y el agua, son la base de la caracterización geomecánica de los macizos rocosos (Barton, Lien, & Lunde, 1974; Bieniawski, 1989; Hoek & Brown, 1997).
Entre las discontinuidades presentes en un macizo es posible distinguir dos grupos, las de tipo sistemático, como son las diaclasas, planos de estratificación y esquistosidad y las de tipo singular, como son las fallas.
El estudio de las fallas y demás discontinuidades singulares es uno de los aspectos geológicos más importantes en un túnel, debido a la baja resistencia que presentan por sus mecanismos de formación y las características de las mismas.
La importancia de las discontinuidades será relativa en función de la escala de trabajo, pues dependiendo del efecto de las discontinuidades sobre el comportamiento del macizo, el medio puede ser considerado como continuo o deberá ser abordado por separado. Los valores de resistencia en un macizo pueden ser muy variables en función de la disposición y orientación de las superficies de discontinuidad y de la densidad de las mismas.
Existen una serie de parámetros que se emplean para la clasificación de macizos rocoso, y que influyen en su comportamiento mecánico. Las clasificaciones geomecánicas o geotécnicas definen diferentes grados de calidad del macizo en función de las propiedades de la matriz rocosa y de las discontinuidades, y proporcionan valores orientativos de sus propiedades resistentes globales.
El proyecto y construcción de una excavación subterránea requieren datos geológicos y geomecánicos para el diseño de los sostenimientos, selección del método de excavación y los tratamientos del terreno.
Las zonas de emboquille deben ser estudiadas de forma particularizada. El bajo espesor de recubrimientos da lugar a mayores grados de alteración, y mayor permeabilidad y flujo de agua, factores que en conjunto predeterminan una mayor deformabilidad y menor resistencia que el resto del trazado.
Es por esto que son tan importantes los reconocimientos geológicos-geotécnicos en estos ámbitos, y por tanto, el conocimiento y caracterización de los macizos rocosos.
Los macizos rocosos, como medios discontinuos, presentan un comportamiento geomecánico complejo que puede ser estudiado y categorizado en función de su aptitud para distintas aplicaciones. Con este objetivo surgieron las clasificaciones geomecánicas, que aportan, mediante la observación directa de las características de los macizos rocosos y la realización de ensayos sencillos, índices de calidad relacionados
con los parámetros geomecánicos del macizo y sus características frente a los sostenimientos de túneles y taludes y la excavabilidad de las rocas, entre otros.

a.- Clasificaciones Geomecánicas

Las clasificaciones geomecánicas constituyen un procedimiento para la caracterización de los macizos rocosos a partir de los datos de los afloramientos y sondeos, y se aplican principalmente a los túneles, dada la dificultad del estudio de los macizos rocosos en profundidad.

Constituyen un sistema de comunicación universal entre los usuarios que las utilizan, mejoran el conocimiento del macizo rocoso y proporcionan una valoración cuantitativa del mismo por medio de un algoritmo aritmético simple (Romana, 1997).

Para su aplicación es necesario llevar a cabo una serie de observaciones y medidas en campo.

La descripción y medida de las características y propiedades de la matriz rocosa y de las discontinuidades, proporcionan los datos necesarios para la evaluación geomecánica global del macizo. (de Vallejo & Ferrer, 2011). A partir de estos datos, la aplicación de las clasificaciones geomecánicas permite estimar la calidad y los parámetros resistentes aproximados del macizo, en términos de cohesión y fricción. Aunque para completar la caracterización global del macizo rocoso es también necesario evaluar otros aspectos que influyen, de forma importante, en su comportamiento mecánico, como son: resistencia y deformabilidad, el comportamiento hidrogeológico y el estado tensional.

Los parámetros del macizo rocoso que se evalúan en las diferentes clasificaciones son:

• –  Resistencia del material rocoso.
• –  Índice RQD
• –  Espaciado de las discontinuidades
• –  Orientación de las discontinuidades
• –  Condiciones de las discontinuidades
• –  Estructura geológica y fallas
• –  Filtraciones y presencia de agua
• –  Estado tensional

La principal ventaja de las clasificaciones geomecánicas es que proporcionan una estimación inicial de los parámetros mecánicos del macizo a bajo coste y de forma sencilla. Sin embargo, debe ser considerada como una simplificación considerable en macizos rocosos competentes y excesiva, en casos con macizos rocosos blandos, tectonizados y alterados. En este último caso, se tiende a sobrevaloran las propiedades mecánicas y resistentes, sin tener en cuenta aspectos importantes como la deformabilidad de los macizos.

Las clasificaciones geomecánicas más empleadas en el ámbito de la mecánica de rocas y más aplicadas en el proyecto de túneles son:

• –  La clasificación de Bieniawski, mediante la que se determina el índice RMR.
• –  La clasificación de Barton, mediante la que se obtiene el índice Q. Ambas fueron diseñadas inicialmente para aproximar un valor de calidad de macizo rocoso para su aplicación específica en el diseño de túneles en roca, aunque posteriormente se realizaron correcciones para su aplicación a la caracterización de taludes, entre otros. En el caso concreto de esta tesina, el talud considerado se caracteriza mediante el Slope Mass Rating (SMR) de Romana (1985). La caracterización mediante SMR, requiere la aplicación previa de la clasificación geomecánica RMR (Rock Mass Rating) de Bieniawski, concretamente, la utilización del valor de RMR básico. La clasificación de Bieniawski (1989) considera parámetros como la presencia de agua, la resistencia a compresión simple de la matriz rocosa, el grado de alteración y las características de las discontinuidades presentes que afectan la matriz rocosa para la determinación del índice RMR y aproximar el grado de calidad del macizo rocoso.

De entre todas las clasificaciones geomecánicas disponibles para el estudio de taludes rocosos, el índice SMR (Romana, 1985) tiene gran aceptación internacional, dada la gran similitud entre los resultados obtenidos con el mismo y lo observado en la realidad (Romana et al., 2001; 2003).

Romana (1985) propuso un sistema de clasificación geomecánica de taludes rocosos denominado Slope Mass Rating (SMR). Éste se obtiene por la adición de una serie de factores de ajuste, dependientes de la relación geométrica existente entre la discontinuidad y el talud, del tipo de rotura, así como de la suma de un factor dado por el método de excavación.

El RMR básico se obtiene de acuerdo con la clasificación de Bieniawski (1989), sin aplicar las correcciones de paralelismo entre las discontinuidades que afectan al macizo y la ladera.

Los factores correctores o de ajuste necesarios el cálculo del SMR se definen a continuación

F1: depende del ángulo que forman las direcciones de las discontinuidades y del talud (A). Varía de 0,15 a 1,0. Toma el valor de 0,15 cuando el ángulo entre el plano de la junta y el talud es mayor de 30o y la probabilidad de rotura es muy pequeña. Sin embargo, alcanza el valor de 1,0 cuando ambos planos son paralelos o subparalelos.

F2: se refiere al buzamiento de la discontinuidad. Su valor varía entre 0,15 y 1,0. Toma el valor de 0,15 cuando el buzamiento de la junta es menor de 20o y 1,0

para buzamientos mayores de 45o. Para la rotura por vuelco, F2 toma el valor de 1,0. Se trata de una medida de la probabilidad de la resistencia a esfuerzo cortante de la junta.

F3: se refiere a la relación entre los buzamientos del talud y las discontinuidades (C). Se mantienen los valores propuestos por Bieniawski (1989) que son siempre negativos

F4: es un factor de ajuste por el método de excavación empleado. Incluye la pendiente natural, precorte, voladura suave, voladura normal o excavación mecánica y voladura deficiente

El procedimiento sistemático que Romana propone para cuantificar los factores de ajuste del SMR es precisamente lo que hace que se trate de un método muy útil para analizar la susceptibilidad a la rotura de taludes rocosos (Irigaray, Fernández, & Chacón, 2003)

El análisis de estabilidad y la caracterización del patrón de fracturación del macizo, para la aplicación de las diferentes clasificaciones geomecánicas, se ha realizado tradicionalmente mediante levantamientos sobre el terreno con el muestreo sistemático de las discontinuidades. Este procedimiento realizado in situ, tiene evidentes limitaciones debido a la dificultad de acceso a los afloramientos rocosos (acantilados, etc.), un elevado tiempo de toma de datos y la posibilidad de cometer errores de medida.

Las técnicas para la detección y adquisición remota de las estructuras en superficie permiten caracterizar las mismas de forma automatizada y segura. Estos métodos pretenden hacer de la caracterización geomecánica de los macizos rocosos un proceso más objetivo y automatizado.

b.-Fuentes de información digital

En los últimos años, las tecnologías basadas en el LiDAR, han sido evaluadas y aplicadas en diferentes disciplinas de la ciencia y la ingeniería. Esta tecnología, tiene su origen en los años 60, dentro de los programas de investigación llevados a cabo por la Agencia Espacial Estadounidense. Con la llegada de los Sistemas de Posicionamiento Global a finales de los 80 se consiguió la alta precisión posicional requerida para el uso del LiDAR de alta resolución. El desarrollo de los sistemas GPS y la utilización de relojes ultra-precisos para la medida del tiempo de retorno del pulso láser, y las unidades de medida inercial (Inertial Measurement Units – IMU), permitieron el cálculo de los parámetros de orientación de los sensores láser. La rápida evolución de estos componentes permitió finalmente el aumento de la resolución y fiabilidad de los sistemas LiDAR, y su utilización en un gran número de aplicaciones.

El LiDAR es una técnica de imagen en campo visible que utiliza el reflejo difuso de un haz de luz láser, sobre la superficie de un sólido para determinar su ubicación en el espacio. Registra la señal de vuelta, el tiempo de recorrido y calcula la distancia en una dirección definida. Este proceso produce una nube de puntos en tres dimensiones de la zona de escaneo como resultado del proceso. Para construir la nube de puntos final se requiere de varios escaneos desde distintos puntos de vista, que habrá que alinear entre sí, con el fin de evitar la oclusión de puntos y aumentar la densidad de la nube de puntos (Corominas, J., Mavrouli, O., Ruiz-Caraulla,R.,Doménech, 2016).

Un sistema LiDAR está basado en la emisión de pulsos de luz láser desde una plataforma aérea o terrestre. La medición precisa del tiempo de retorno del pulso al sensor permite calcular la distancia que separa a éste de la superficie terrestre y de los objetos que existen sobre ella. Su funcionamiento es similar, por tanto, al de una estación total topográfica. Dado que la posición y orientación del sensor son conocidas para cada pulso emitido, cada señal de retorno tiene unas coordenadas tridimensionales
únicas, lo cual permite la captura remota de la información topográfica. El LiDAR detecta la posición de un punto de una superficie y registra su posición y la respuesta de un láser en una longitud de onda determinada (A. Riquelme, Abellán, Tomás, & Jaboyedoff, 2014a).

Los tipos de técnica para capturar los datos LiDAR son:
1.- LiDAR aéreo. Normalmente utilizado para grandes áreas. El sensor se coloca en un avión, que normalmente vuela a una altura entre 400 y 2.500 m sobre la superficie. La precisión suele estar en este caso entre 9,25 cm y 18,5 cm verticalmente, y entre 20 cm y 1 m horizontalmente.
2.- LiDAR aéreo de baja altitud. Se utiliza normalmente para estudios de vías de comunicación e infraestructuras lineales (por ejemplo, líneas eléctricas). La altitud de vuelo es mucho menor (de 50 m a 800 m sobre la superficie), y normalmente el sensor va montado sobre helicópteros. De esta forma se
consiguen densidades que oscilan entre los 20 y los 100 puntos por metro cuadrado, con precisiones también mayores.
3.-LiDAR móvil. El sistema está montado en la parte trasera de un vehículo, de tal forma que el láser rota 360 º continuamente durante la operación, mientras que el vehículo avanza. La distancia máxima de alcance suele ser de unos 200 m desde el sensor, y la densidad de puntos por metro cuadrado puede llegar a los 4.000.
4.- LiDAR terrestre. En este caso, el sistema no se mueve (no se encuentra montado sobre ningún dispositivo móvil, sino sobre un trípode), y se utiliza para estudiar un área concreta de interés (por ejemplo un talud).

El escaneado mediante LiDAR genera una gran base de datos de puntos definidos por coordenadas (X,Y,Z) de una superficie con elevada resolución (hasta 10.000 puntos por metro cuadrado) y precisión (σ < 1 cm a 100 m.). La velocidad de adquisición de estos sistemas alcanza los 222.000 puntos por segundo con distancias de adquisición de hasta 6.000 m. Esta técnica permite obtener información tridimensional del terreno de alta resolución (> 1,5cm) desde distancias de adquisición comprendidas entre 800 y 2500 m (A. Riquelme, 2015).
Con este instrumento, además de las coordenadas del punto, se registra una respuesta espectral para la banda en la que opera el instrumento. Esta respuesta, en el LiDAR, se denomina reflectancia, y es la respuesta del láser emitido en el RGB e IR y habitualmente se representa en una escala de grises.

La precisión de los datos LiDAR permite la integración de la cartografía digital en los procedimientos de caracterización del terreno y eliminar los errores de transcripción de datos además de limitar las mediciones incorrectas. Entre otros beneficios de los escáneres láser con respecto al método tradicional, para la toma de datos geométricos en campo se tienen:

El ahorro en costes:

• Menor coste en los levantamientos as-built y topográficos con respecto a la alternativas
• Reducción o eliminación de costosas “visitas repetidas” al lugar
• Períodos de inactividad reducidos debido a la captación rápida de la escena si obstáculos y/o mínimo equipamiento en campo,
• Se evitan trabajos de reconstrucción en campo, gracias a que los levantamiento as-built son exactos.

• Pero además de los ahorros en costes directos, se tienen otros de valor añadido:

• Rápidos resultados
• Tiempos menores en el ciclo del proyecto
• Resultados de mejor calidad
• Menor ambigüedad – resultados más completos
• Alto nivel de detalle
• Seguridad mejorada durante la captura de datos
• Toma de datos sin obstáculos
• Otros usuarios pueden utilizar y revisar las nubes de puntos, con lo cual se logra una gestión más eficiente de los proyectos.

La tecnología LiDAR se basa, en el uso de sensores activos, por lo que la captura de información no depende, como ocurre con otros sensores, de las condiciones meteorológicas, y además las misiones pueden realizarse durante la noche o en condiciones de escasa o nula luminosidad, como son los entornos subterráneos.