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Efectos geológicos en taludes y laderas parte 1 - Monografía



 
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TOPOGRAFÍA APLICADA A LA INGENIERÍA CIVIL



Procesos y efectos geológicos en taludes y laderas.



1.    Introducción.


Meteorización, en geología, es el proceso de desintegración física y química de los materiales sólidos en o cerca de la superficie de la Tierra. La meteorización física rompe las rocas sin alterar su composición y la meteorización química descompone las rocas alterando lentamente los minerales que las integran. Ambos procesos se desarrollan conjuntamente y producen deshechos que se transportan mecánicamente o en solución como es el caso de la erosión. Los procesos de meteorización también ayudan a la formación del suelo.

La meteorización física resulta, en primer lugar, de los cambios de temperatura, tales como el calor intenso y la acción de congelación del agua en las grietas de las rocas; también influye la acción de algunos organismos vivos como son las raíces de los árboles o algunos animales con sus madrigueras. Los cambios de temperatura expanden y contraen las rocas alternativamente, causando granulación, separación en escamas y una laminación de las capas exteriores. La acción del hielo y el ensanchamiento exponen capas más profundas a la meteorización química.

Este tipo de meteorización altera la composición mineral original de la roca de diferentes maneras: disolviendo minerales en agua y debilitando los ácidos del suelo por oxidación, produciendo una reacción química con el dióxido de carbono y por hidratación, proceso mediante el cual el agua se combina y reacciona químicamente con los minerales. Plantas, como los líquenes, también descomponen determinadas rocas al extraer nutrientes solubles y hierro de sus minerales originales.

Efecto sobre los taludes de la meteorización.



Un talud es la inclinación de un terreno o del paramento de un muro, luego los taludes pueden ser considerados como laderas, el de las vías de comunicación en concreto como “taludes artificiales” y por tanto están afectados por dicha meteorización, nos vamos a centrar en la meteorización física y en las posibles soluciones para evitarla, así como la regeneración de taludes que ya han sido afectados.

En los taludes de carretera los principales causantes del deterioro son la gravedad, los cambios de temperatura, el agua y los elementos biológicos. Estos elementos actúan de forma conjunta, pero para facilitar la comprensión vamos a estudiar su efecto por separado y ver a lo que da lugar cada proceso en particular. A la hora de la verdad son los materiales y el ambiente climático los factores principales que controlan la meteorización, mientras que la topografía del terreno la biosfera y la hidrosfera son agentes que contribuyen a exagerar o suavizar los efectos que marcan esos factores básicos.

Procesos gravitacionales.



Al ser la gravedad un campo de fuerza presente en todos los procesos exógenos, se puede decir que es el agente primario. En muchos casos la gravedad participa en el transporte indirectamente: moviliza determinados cuerpos, por lo general agua líquida o sólida, y éstos pasan a ser los verdaderos agentes, desempeñando el trabajo de mover los materiales.

A veces no existe ese elemento intermedio y es la gravedad la que se encarga de realizar el trabajo por sí sola, propiciando movimientos de autotranslación, en estos casos la gravedad debe considerarse como agente específico.

En los procesos de vertiente se pretende establecer la relación causa efecto entre el nivel de inclinación del terreno y algunos fenómenos. Son procesos que necesariamente necesitan una inclinación del terreno para producirse como por ejemplo caídas o deslizamientos que posteriormente trataremos con mayor detenimiento. Así pues la pendiente del talud es decisiva, ya que los terrenos escarpados favorecen los arrastres, posibilitando que se renueve la superficie expuesta a los agentes meteóricos; sin embargo, dificultan la la concentración de humedad e impiden la estabilidad necesaria para la meteorización química.

Los movimientos de autotranslación tienen en su mayoría un carácter masivo, aunque no siempre es así. Concretamente, la caída de materiales es frecuente que se produzca individualizada o secuencialmente, no de forma masiva.

De acuerdo con todas estas consideraciones y aún reconociendo la limitación terminológica que ello supone, definimos procesos gravitacionales como el desplazamiento en las vertientes sin intervenir ningún soporte activo o medio para movilizarlos, es decir, impulsados por su propio peso.

Principios físicos generales.



Como cualquier otro desplazamiento,  la autotranslación de materiales en la vertiente queda regulada por todas las fuerzas implicadas, en este caso son el peso, el rozamiento y la cohesión material.

El peso contribuye al impulso, mediante su componente tangencial, y a la resistencia, mediante su componente normal o vertical.

El rozamiento está caracterizado por un coeficiente de rozamiento y un ángulo crítico. El valor del coeficiente de rozamiento depende del tipo de material, de su rugosidad, de la humedad y de la superficie expuesta a contacto.

La cohesión contribuye a la resistencia, es función de las características propias del material: composición, textura, compacidad, cementación… Dichas características pueden ser modificadas por causas extrínsecas que en general no duran mucho, además se pueden producir fenómenos como la presencia de poros, que pueden estar rellenos de agua o aire, el crecimiento de raíces… Estos fenómenos obligan a considerar una cohesión verdadera, la propia de cada material, y otra aparente en función de los condicionantes extrínsecos, pero la que nosotros tenemos que tener en cuenta es la efectiva.


2.    Delimitación de conceptos, clasificaciones y aspectos generales de los procesos y efectos en taludes y laderas.



Se pretenden estudiar las causas y mecanismos que explican las estabilidades e inestabilidades de las vertientes(taludes y laderas). Se aborda, en consecuencia, una parte de los riesgos naturales, que se deberían tener en cuenta en el adecuado usufructo de determinados territorios.

Para ese tratamiento del terreno, se precisa tener muy claros, entre otros, los conceptos “límites” de:

- aludes(avalanchas),
- desprendimientos, en frentes rocosos,
- deslizamientos, y
- movimientos de flujo.

Entre las situaciones, que describen los anteriores conceptos, puede darse toda una gama de circunstancias mixtas.

Se entiende por aludes, avalanchas, de nieve, o de cualquier material, a los movimientos súbitos, a ras del suelo, que pueden soportar sus acumulaciones, cuando:

- forman grandes potencias sobre laderas relativamente escarpadas,
- y alcanzan pendientes de hiper-estabilidad.

En situaciones de hiper-estabilidad, pequeñas perturbaciones físicas(onda acústica, microsismo u otro tipo de vibración en general) producirán desplazamiento de los materiales acumulados,  a favor de la gravedad, para que puedan desarrollarse nuevas topografías, con unas pendientes tendentes al equilibrio. En ocasiones, la propia avalancha puede transportar más materiales de los necesarios, para obtener perfiles de equilibrio. Como resultado, aparecerían laderas con pendientes temporales, en hipo-equilibrio, en los sectores de cabecera.

Los desprendimientos, en un proceso extremadamente rápido, se corresponden con movimientos de porciones de terreno, rocoso o no, en forma de bloques aislados, o masivamente, siempre que, en una gran parte de sus trayectorias, desciendan por el aire en caída libre, volviendo a entrar en contacto con la topografía, donde se producirán saltos, rebotes y rodaduras.

En los relieves empinados, son frecuentes los desprendimientos distensivos, por falta de apoyo lateral. Se tratarían de desprendimientos relacionados con previas fracturas de distensión. Geomorfológicamente, las grietas de distensión, relativamente abiertas, pero antes del desprendimiento, pueden recibir distintas denominaciones. En algunos lugares de Canarias(Caldera de Taburiente, en la isla de La Palma), se las conocen como agujeritos. En este escenario, se llaman ataúdes a ciertas cicatrices que dejan los desprendimientos, que presentan peculiares características geométricas.

Los bloques que se desprenden describen vuelcos cuando, en las caídas libres, rotan hacia el exterior, alrededor de ejes situados por debajo del centro de gravedad de la masa en movimiento.

Cuando los desprendimientos son muy frecuentes, los derrubios que se forman al pie de la fachada afectada pueden formar acumulaciones potentes. Estos depósitos se llaman canchales.

Los desprendimientos suelen clasificarse en los siguientes tipos:

- desprendimiento por gelifracción(desprendimiento favorecido por la acción de cuñas de agua, al helarse, en las grietas existentes en las rocas, y que provocan la propagación de las grietas),
- desprendimiento por reblandecimiento del pie,
- desprendimiento por descalce(por erosión de un material blando del pie, por socavación lateral y/o por deslizamientos basales).

Los deslizamientos se definen como desplazamiento de masas de terreno, en estado sólido, por efecto de la gravedad y a favor de niveles de despegue. La masa se desplaza rígidamente, y aunque puede llegar a fragmentarse, se considera que lo hace como un bloque único.

Los niveles de despegues están determinados por capas ricas en arcillas, que actúan como lubricantes cuando aumentan su plasticidad. La pérdida de rigidez sería una consecuencia de la absorción de agua por las arcillas. El agua puede proceder, normalmente, de infiltraciones provenientes de capas superiores más permeables. No se deben descartar aportes de agua por procesos de capilaridad.

Otros niveles de despegue pueden estar formados por fracturas.

A lo largo y ancho de la masa desplazada, es posible que se originen grietas y movimientos de asentamiento.

Los deslizamientos se subclasifican en:

- traslacionales, o
- rotacionales.
según que la superficie de despegue se plana o cóncava, respectivamente.

En los deslizamientos por rotación, el giro se efectúa conforme a un eje paralelo a la fachada. En tales casos, los frentes de avance y/o las terrazas de asentamiento, podrían quedar, incluso, a contra-pendiente.

Estructuralmente, los deslizamientos se diferencian en:

- cohesivos(o coherentes), e
- incoherentes.

En los deslizamientos cohesivos, la masa desplazada mantiene su estructura original, mientras que en los incoherentes, se adquiere una perturbación.

El inicio de un deslizamiento se produce en el momento en que el esfuerzo de cizalla supera al valor de rozamiento interno del material, en una superficie de despegue.

Los movimientos de flujo consisten en “coladas” de materiales:

- que se desplazan a favor de la gravedad,
- de forma continua,
- donde las partículas se pueden desplazar a distintas velocidades, según trayectorias que no tienen que ser, necesariamente, paralelas,
- con régimen laminar, sin descartar excepcionales situaciones de turbulencia,
- y que determinan, a menudo, superficies topográficas lobuladas, a consecuencia de todo lo anterior.

Los materiales susceptibles a formar “coladas” suelen tener proporciones significativas de limos y arcillas. Muchas coladas presentan niveles inferiores de despegue. En este caso se estaría en una situación mixta entre movimientos de flujo y desplazamientos.

Los movimientos de flujo se pueden clasificar en:

- solifluxión, y
- reptación.

La solifluxión es un movimiento, relativamente rápido, donde toman identidad la presión del agua intersticial y la plasticidad de los materiales.

La solifluxión suele desarrollarse:

- en depósitos de acumulación(coluviones, piedemontes, y otros),
- en depósitos de alteración, sobre todo en formaciones margosas, de esquistos o de pizarras, y
- en formaciones arcillosas y limosas susceptibles a deformarse.

Las coladas de barro son solifluxiones en materiales limo-arcillosos, que dejan cicatrices cóncavas en las áreas de cabecera.

La reptación define a movimientos superficiales, extremadamente ralentizados, y prácticamente imperceptibles, salvo después de largos períodos de medida. Estos movimientos suelen ocurrir en unos materiales ricos en arcillas que, con una cierta periodicidad, se embeben de agua. La ralentización puede verse favorecida por una intervención estructural del sustrato(por ejemplo, estratos buzantes a contra-pendiente).

Los slumping consisten en ondulaciones, que se producen en las capas de materiales que se desplazan, por procesos de solifluxión-reptación.

Los desprendimientos, deslizamientos y movimientos de flujo inciden, a gran escala, sobre la estabilidad de grandes volúmenes de roca, o de tierras. Suelen desencadenar desplazamientos de grandes magnitudes de masas y provocar efectos catastróficos.

En las zonas volcánicas de los climas húmedos, son muy frecuentes las coladas de barro. Cuando se dan fuertes pendientes, pueden alcanzar velocidades de hasta los 1.000 kilómetros por hora. Un ejemplo reciente se tiene en el Nevado del Ruiz, en Los Andes colombianos, donde:

- entró en juego, además de la actividad volcánica, unos relieves de alta montaña y nieves perpetuas,
- y se puso de manifiesto la extraordinaria rapidez y poder destructivo de las coladas de barro, en zonas montañosas.

Procesos hidrológicos.



Cuando se produce una lluvia, parte del agua caída es absorbida por la vegetación, otra se infiltra en el terreno y otra rellena las irregularidades que se encuentran en el terreno, pequeños huecos que puedan existir.

Si el agua retenida no se evapora y se produce una aportación continuada, se produce una saturación de la tierra y el agua empieza a fluir hacia zonas más bajas, dando lugar a encharcamientos y erosionando la ladera conforme el agua cae, llamándose a esto escorrentía.

El daño producido por la escorrentía dependerá del tipo de material, de la pendiente, de la intensidad de las precipitaciones… Según la importancia del fenómeno podemos distinguir:

- Escorrentía pura:

es una lámina de agua cuyo espesor aumenta corriente abajo. En un primer tramo se produce una fuerte erosión, mientras que en su fase final se produce un asentamiento de materiales o sedimentación.

- Escorrentía por exceso de saturación:

una vez superado límite de almacenamiento, hay una especie de segregación de las aguas dando lugar a movimientos oblicuos de las mismas, corriendo finalmente por la línea de máxima pendiente.

Los procesos que acabamos de describir se producen cuando la superficie es lisa, situación que se da normalmente en los taludes, pero en zonas donde existen irregularidades, el agua tiende a juntarse formando canalillos que aparecen después de las precipitaciones pero que dejan su huella de forma perenne. Las dos formas principales son:

- Acanaladuras:

es la típica hendidura fina que aparece en las laderas que siguen la dirección máxima pendiente y suelen ser paralelas las unas con las otras.

- Cordones o lazos:

son similares a lo anterior, pero en este caso algún tipo de a obstáculo, como una piedra, hace que el agua se desvíe dando lugar hilos de flujo entrelazados.

Fenómenos hielo - deshielo.


Las heladas producen tensiones en los materiales debido a la solidificación del agua y a los efectos de contracción - dilatación.

La solidificación del agua afecta principalmente cuando agua en estado líquido, que al introducirse en grietas o hendiduras que puedan existir en los materiales que forman el talud, se solidifica, convirtiéndose en hielo y por tanto aumentando de volumen, lo que produce un efecto palanca, dando lugar a rupturas denominadas gelifracción o crioclastia.

Los fenómenos de dilatación - contracción son debidos a los cambios de temperatura fuertes en poco tiempo, dando lugar a agrietamientos que posteriormente se desarrollan en fracturas, debido al cambio de volumen y de hidratación que sufre la roca.

3.    Condicionantes de contorno en la dinámica de taludes y laderas.


La condición de contorno básica, en los desprendimientos, es la presencia de frentes rocosos escarpados, como son los taludes. Otros condicionantes serían:

- presencia de discontinuidades(fracturas y fallas de asentamiento, por ejemplo), que faciliten el aislamiento de bloques,
- degradación de la resistencia de la roca, por meteorización,
- acción de los fenómenos de erosión hídrica superficial.

En general, y para el conjunto de la dinámica de taludes y laderas, los condicionantes de contorno serían:

la pendiente topográfica,
la potencia del terreno susceptible al movimiento,
la estratificación,
la fisuración,
los movimientos tectónicos que determinen superficies inestables,
la facilidad del terreno para fracturarse, erosionarse y/o meteorizarse,
la existencia de niveles de despegue,
la disponibilidad de agua,
la presencia y densidad de determinadas comunidades vegetales,
las actividades humanas que inducen a cambios en el terreno, y
vibraciones bruscas, que inicien los desplazamientos en situaciones de meta-estabilidad.

La pendiente topográfica juega un papel decisivo en tanto que condiciona al valor de la aceleración de la gravedad. Las pendientes críticas de equilibrio serán específicas de cada material y de sus características intrínsecas. Pero, además, para un mismo material con unas características dadas, dependerán de las restantes condiciones de contorno que les afecten.


La potencia del terreno susceptible al movimiento.



Por mucho que se den las condiciones favorables para el movimiento del terreno, si no hay una masa significativa, los desplazamientos carecerían de importancia o no se darían. De aquí que la potencia(espesor de los materiales) constituya un condicionante de contorno.

La estratificación condiciona a los posibles movimientos en cuanto representa un factor favorable, o no, a los desplazamientos. Una inclinación de los estratos a contra-pendiente favorece la estaticidad, todo lo contrario de lo que ocurre con un buzamiento en el sentido de la pendiente topográfica.
El grado de estaticidad, o de movilidad, que propicia la disposición estratigráfica dependerá del grado de inclinación y de la rigidez de los estratos. Así, con estratos a contra-pendiente y rígidos, a mayor ángulo de inclinación habría un mayor impedimento al desplazamiento.

La fisuración rompe la continuidad del material, con lo que se obtienen elementos “libres” para el desplazamiento.

En determinadas situaciones, el resultado puede ser diferente en función del material que pueda rellenar las fisuras. Si un material arcilloso rellena fisuras a favor de la superficie topográfica, y si el resto de los condicionantes son favorables, se crearían niveles de despegue, con todas sus consecuencias. En tanto que si las fisuras se rellenan de material de precipitación que cemente, se contrarrestan los procesos tendentes a movimientos de terreno.

En terrenos susceptibles a moverse, los niveles de despegue están constituidos, normalmente, por capas de materiales arcillosos. Estos niveles aumentarán el carácter de lubricante cuando se impregnen de agua. La meteorización podría constituir un mecanismo que proporciona r suficientes materiales arcillosos, para originar estos niveles de despegue.

En algunas ocasione, el papel lubricante de los niveles de arcillas lo desempeñan capas gratificas, sobre todo, en algunos relieves metamórficos.

La disponibilidad de agua va a intervenir en la formación de arroyadas y en infiltraciones. La arroyada colabora con el movimiento de arrastre superficial, en tanto que la infiltración participa en el aumento de la plasticidad del terreno, y en el incremento del carácter lubricante de los niveles de despegue.

En los deslizamientos, el agua actúa:

- incrementando el peso de la masa potencialmente deslizante,
- y disminuyendo el coeficiente de rozamiento interno, en la superficie de despegue.
De esta manera, los deslizamientos, y los movimientos en general, toman mayor relevancia y frecuencia durante las épocas de lluvia.

La vegetación.



- Por una parte, “desacelera” el movimiento en cuanto que atrapa y fija las partículas del suelo,
- y, por otra, facilita el movimiento al permitir una mejor infiltración del agua, si la hay, con lo que ello supone.

En relación con la vegetación, y en dependencia con el control de los procesos y efectos de los movimientos en taludes y laderas, se deben destacar las especies que facilitan, por las características de sus raíces, el atrapamiento y fijación de las partículas y la infiltración del agua.

No solamente basta que las raíces sean o no apropiadas para unos procesos y efectos determinados, sino que intervengan en una densidad adecuada, y esto lo determina la abundancia de las comunidades en cuestión.

Pero además, puede ocurrir que la vegetación favorezca una lluvia “horizontal”(sea el caso del bosque de laurisilva, en las Islas Canarias). En tal supuesto, habría una potencialización de la disponibilidad de agua, que se infiltraría por las raíces y/o a través de una fisuración, con sus posibles efectos en la dinámica del terreno.

Las vibraciones bruscas de arranque se pueden deber a:

- la caída de un gran bloque rocoso,
- la actividad volcánica, o
- a una tectónica activa, con terremotos asociados.

La confluencia de condicionantes de contorno no suele propiciar repercusiones en proporciones aritméticas, sino geométricas. Por otra parte, no se debe perder de vista la teoría matemática del caos, en cuanto que una ligera intervención de uno de los condicionantes puede producir un efecto de grandes magnitudes, si el sistema(aquí el terreno) se encontraba en alta meta-estabilidad, por acumulaciones de dosis sucesivas de los diferentes condicionantes de contorno descritos o por describir.


4.    Estudio de un caso particular de movimiento de terreno.



Sea el “Campo de Piedras” de Arteara, en el Sur de la isla de Gran Canaria(España). Aquí se pueden cartografiar extensos “pedregales”. El depósito sedimentario está formado, básicamente, por grandes bloques angulosos, muchos de ellos métricos.

Se presentan tres afloramientos, aunque el principal se encuentra al Oeste de la carretera de Fataga, con una amplitud próxima al kilómetro, y una longitud de varios kilómetros. Todos ellos se localizan a media ladera y al pie de relieves muy abruptos, constituidos por coladas lávicas, entre otras piroclásticas, de naturaleza fonolítica, densamente fracturadas. Sobresale la grosera fracturación vertical.

Una posible explicación del origen de estos depósitos, sobre todo en relación con el más extenso, se podría buscar:

- en susceptibilidad a la formación de grandes bloques, por causas estructurales(fracturaciones verticales y horizontales, por contracciones térmicas, en las coladas),
- y en súbitos desprendimientos de las masas de bloques.

Los desprendimientos serían la respuesta a una convergencia de factores favorables:

- presencia de potentes masas de bloques,
- pendientes muy abruptas, como soportes de las masas de bloques, que rebasaran el perfil de equilibrio, respecto al movimiento de éstos,
- agentes que provocaran el movimiento repentino de los bloques,
- etc. …
El inicio de los movimientos de los bloques estaría motivado por sacudidas sísmicas, determinadas por puntuales fallas de asentamiento.

Los pequeños afloramientos se habrían desarrollado por procesos de “simpatía”, en rocas que permiten, fácilmente, la formación y el desprendimiento de bloques de grandes dimensiones.

La identificación de una de estas fallas, en un barranco próximo, en el de Tirajana, a la altura de la “Fortaleza del Ansite”, verifica la hipótesis formulada, en cuanto a la causa desencadenante.

De todas maneras, aquí se descarta un origen por cambios bruscos de la temperatura, conforme con la climatología que se da en este sector.

El “Campo de Piedras” de Arteara encierra un contenido etnográfico, que debió ser preservado. En este entorno, los pre-hispánicos construyeron una necrópolis. En la actualidad, se encuentra expoliada.





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