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Propuesta de un indicador general de estabilidad (IGE) en cortes carreteros
para fines de gestión
Proposal of a general stability for management of road slopes
Paul GARNICA ANGUAS1, Carlos PÉREZ GARCÍA2
1Instituto
Mexicano del Transporte
Infraestrutura
2ICA
RESUMEN: En este trabajo se presenta una propuesta de un indicador que permite asignar un valor numérico al nivel
de inestabilidad de un corte carretero. Este indicador se determina con base en una serie de puntuaciones que se asignan a varios factores de riesgo que se han considerado relevantes. El Indicador es de fácil determinación y permite valorar a lo largo del tiempo en una red carretera la evolución de los riesgos de inestabilidad de todos los cortes presentes.
Los responsables de la gestión lo encontrarán particularmente útil para todas las actividades de planeación y costeo de
las actividades futuras de mantenimiento y conservación de los cortes carreteros, que realizadas en forma oportuna
permitirán minimizar las fallas de esos activos geotécnicos y detectar aquellos que por su riesgo requieran una atención
especial.
ABSTRACT: In this work the authors present a proposal of a general stability index for highway slopes management. The
procedure allows assign a numerical value to the slope stability by the qualification of several factors related to the risk of
damage. The proposed index is easy and quick to determine and engineers in charge will find it very useful to follow in
time the general stability of all cuts and slopes in a road network. Identification an evaluation of the risk level in geotechnical assets is now an important part of an integral road asset management.
1 INTRODUCCIÓN
Cada vez es más notoria la importancia de contar
con información precisa y de calidad como base en
la toma de decisiones acerca de las infraestructuras
territoriales de una determinada región. En los
últimos años, las administraciones públicas con
competencias en la gestión de carreteras han
empezado a invertir parte de sus recursos en
estudios y análisis de las características de la red
viaria, así como en herramientas para trabajar
adecuadamente con los datos obtenidos.
La Asociación Mundial de Carreteras, PIARC,
define a la gestión de activos como: “un proceso
sistemático de mantenimiento que opera y mejora
los activos, combinando los conocimientos de
ingeniería con sondeos prácticos comerciales y
razonamiento económico, para proveer herramientas
que faciliten una mejor organización y una estrategia
flexible para poder tomar las decisiones correctas y
necesarias de acuerdo con las necesidades del
usuario”, (PIARC 2004).
Muchos son los activos que forman parte de una
infraestructura carretera, como son los pavimentos y
los puentes; en particular, la gestión de los activos
geotécnicos, como son los cortes carreteros, ha
tomado mucha importancia en los últimos años en
todas aquellas redes donde existe un riesgo
constante en los taludes y en donde la seguridad y
rentabilidad en la operación de una carretera es
comúnmente afectada por diversas fallas.
En lo que sigue se describen brevemente las
etapas que se suelen incluir en la gestión de cortes
carreteros, así como la descripción de las
componentes y factores que constituyen la propuesta
del Indicador General de Estabilidad, y que se
denominará IGECC. Se discuten algunos aspectos de
su potencial aplicación y se presentan los criterios
para la valoración de los factores de riesgo
considerados.
2 PROCEDIMIENTOS PARA LA GESTIÓN DE
CORTES CARRETEROS
Los procedimientos que se mencionan a
continuación están basados en las recomendaciones
de la PIARC, que constituyen una herramienta
primordial para poder entender la forma en que la
metodología de evaluación de cortes tiene que ser
aplicada, (PIARC 2004).
A. Recopilación de datos que definen las
características físicas del corte y sus alrededores
(geología, ángulo del talud, altura, localización,
condiciones de humedad, etc.).
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
2
Propuesta de un indicador general de estabilidad (IGE) en cortes carreteros para fines de gestión
B. Recopilación de datos que definen las
condiciones presentes de los cortes, que se basan
primordialmente
en
las
observaciones
de
inspecciones visuales.
C. Creación de banco de datos con la información
recopilada. Se debe registrar cualquier cambio en las
características del corte. La base de datos ayudará a
crear un archivo histórico que en el futuro nos
proporcionará información valiosa para poder
determinar varios parámetros implicados en el
mantenimiento y estabilidad de los taludes.
D. Evaluación del corte. Esta es la parte más
importante en la gestión de activos geotécnicos.
E. Análisis de los datos. El análisis de datos se
realizará mediante el análisis del comportamiento
del IGECC, el cual se explica en el siguiente punto. Al
tener evaluado el tramo, se procede a organizar los
datos de acuerdo con la severidad del IGEcc de
cada corte.
F. Registro de los resultados de la evaluación y el
análisis en la base de datos. Al paso de varios años
de seguimiento, en los cortes de una vía
determinada se pueden ver los cambios que han
existido a lo largo del tiempo. Cualquier modificación
que el talud sufriera debido a un trabajo de
mantenimiento, también se deberá registrar.
3 COMPONENTES DEL INDICADOR GENERAL
DE ESTABILIDAD PARA CORTES CARRETEROS
El cálculo del IGECC consta de tres categorías
(Figura 1) que se considera contribuyen al riesgo de
falla de un corte carretero: características del talud
(altura del talud, mantenimiento/limpieza, ángulo del
talud, irregularidades, tipo de sección, área de
captación de caídos y vegetación), clima
(precipitación media anual e infiltración/agua
presente) y geología, como la parte más importante
de este estudio, en la cual se basan las definiciones
del tipo de roca/suelo, discontinuidades estructurales
y propiedades de los materiales (Garnica P. et al.,
2012). Tres tipos de condiciones geológicas son
consideradas:
1. Roca sedimentaria. En donde la erosión
diferencial tiende al control de la falla.
2. Roca Cristalina. Este término es para
diferenciar las rocas ígneas y metamórficas
de las sedimentarias. En éstas, la falta de
homogeneidad y fracturas de la masa de
rocas son condicionantes para producir la
falla.
3. Rocas envueltas en suelo (rocas en matriz).
Se refiere a coluviones, flujos de escombro,
eólicos, glaciales, volcánicos, orgánicos,
etc., en donde la erosión del material
matricial
y
por
consiguiente
el
desprendimiento del material granular,
controlan la falla.
Las puntuaciones para los factores causantes de
riesgo son establecidos a partir de un aumento de
escala de los valores de entre 1 y 4, por medio de
una función exponencial (y = 3X) que permite
apreciar de una mejor manera el nivel de
inestabilidad o estabilidad que se presenta. Por lo
tanto, los valores numéricos con los que se otorgará
una calificación a cada factor causante de riesgo se
presentan en la Tabla 1.
Tabla 1. Relación entre puntuaciones y niveles de riesgo
Puntuaciones
Nivel
3
9
27
81
Bajo
Medio
Alto
Muy Alto
Estos factores están inspirados en las prácticas y
experiencias en varios países, principalmente en los
Estados Unidos y en Hong Kong. Todos los factores
del Sistema de Evaluación de Riesgo para obtener el
IGECC son presentados en la Figura 2. En la figura 2,
el lector interesado encontrará con mayor detalle la
descripción de cada uno de ellos y los criterios de
evaluación recomendados.
El IGECC es el resultado de la sumatoria de las
puntuaciones numéricas que se les otorga a cada
uno de los factores que se han establecido como
principales responsables de la falla en un talud
(figura 2). La sumatoria de puntuaciones supondrá la
inestabilidad que existe, designando como grado alto
a la puntuación mayor (IGECC > 400) y grado bajo a
la puntuación menor (IGECC < 250). Es decir que
entre más se eleve el valor del IGECC, mayor será su
inestabilidad y por tanto debería tener mayor
prioridad en el respectivo mantenimiento. Estos
rangos, que se resumen en la Tabla 2, fueron
obtenidos evaluando un tramo piloto con los factores
propuestos de la Figura 2 y utilizando un análisis de
datos multivariante que es una técnica de la
estadística descriptiva utilizada para una amplia
variedad de procedimientos con un objetivo común:
la formación de clases de sujetos o de variables
similares, es decir que permite investigar la
presencia de subestructuras o grupos (clusters) que
ayuden a un mejor conocimiento de los datos.
Debido a que los factores involucrados en la
evaluación de los cortes carreteros contienen una
gran variedad de escalas y unidades se utilizó una
matriz binaria en la metodología del análisis de
conglomerados. Para poder hacer uso de una matriz
binaria, se convirtieron a las puntuaciones
registradas en situaciones dicotómicas que solo
tienen dos modalidades posibles: “sí o no”. Si un
parámetro cae dentro de un criterio especificado,
una puntuación numérica de uno es otorgada, en
caso contrario se le adjudica un cero. Para el
sistema de evaluación planteado es entonces el
número 1 la afirmación de que cierto puntaje (3, 9,
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Garnica P. et al.
3
27 y 81) se otorga a los factores de riesgo de la
Figura 2. Posteriormente para determinar la similitud
entre los diferentes datos de la matriz binaria se
utilizó el método de distancia Euclídea y se obtuvo
una matriz de distancias que sirvió para construir un
árbol de similitudes (dendrograma) en el que
esperaba encontrar tres ramas uniformes. Los
integrantes de las tres ramas, son entonces los que
formaron los grupos de baja, mediana y alta
estabilidad. Los valores obtenidos fueron validados a
través de procedimientos estadísticos como
histogramas y pruebas de normalidad, (Garnica P. et
al., 2012).
son errores puramente de los factores, como
complejidad al evaluarlos o deterioros severos. La
experiencia muestra que si un factor es el causante
de las irregularidades, este puede ser mitigado
aisladamente, sin necesidad de aplicar un
tratamiento general y más costoso que encierre a
todos los factores. Para denotar si el problema
consiste en el mantenimiento, es importante realizar
una comparación entre sus gráficas, contra las
gráficas del IGECC.
Tabla 2. Rango de valores del IGEcc en función del nivel
de inestabilidad
En el manejo de la metodología es importante
considerar lo siguiente: no resuelve los problemas
directamente, sino más bien provee la información
necesaria para poder conducir el problema a la
solución más efectiva; no establece una estrategia
óptima para el problema, más bien permite que el
IGECC ayude a optimizar los recursos disponibles y a
justificar técnicamente los recursos que se requieren
para atender las prioridades de conservación de los
cortes carreteros en la red.
Con la obtención del IGECC se pretende
incursionar en una metodología de gestión práctica
para el personal que desarrollará la evaluación en un
carácter primario o preliminar.
El IGECC resulta ser un indicador fácil de
interpretar y de manejar, pues una simple puntuación
nos dice con fundamentos teóricos y técnicos qué
nivel de riesgo tiene el corte y en base al
presupuesto que se tenga, asignar recursos a los
cortes que presenten mayor riesgo, sin embargo es
una herramienta que debe ser alimentada en su
base de datos para poder afinar los valores de
evaluación de acuerdo a cada región del país y
posteriormente homogenizar criterios.
Nivel de inestabilidad
Bajo
Medio
Alto
Valor del IGECC
IGECC < 250
250 < IGECC < 400
IGECC > 400
4 IMPORTANCIA DE LA APLICACIÓN DEL IGECC
Los cortes que se presenten en cualquier tramo
carretero tendrán un cierto grado de inestabilidad
diferente; el IGECC pretende ser un calificativo para
poder desarrollar planes de mantenimiento óptimos.
La importancia de obtener un IGECC radica en un
resultado inmediato a la hora de evaluar en campo.
La acumulación de todos los IGECC a lo largo de un
tramo carretero, nos revelarán los niveles de
inestabilidad actuantes (Figura 3).
En el caso de una primera evaluación, se tendría
solo una gráfica de IGECC, que marcaría a los cortes
que necesitan atención inmediata (inestabilidad alta),
cortes que necesitan contemplar un mantenimiento
mayor al que se está ejecutando (inestabilidad
media) y cortes que no requieren acciones diferentes
a las actualmente aplicadas (inestabilidad baja). Esta
primera evaluación debe pasar a ser parte de la
base de datos.
Cuando se le aplica la debida corrección al problema
de inestabilidad presente y ésta es satisfactoria, se
debe contemplar la disminución del IGECC en la
siguiente evaluación. Si con el paso del tiempo, los
indicadores de estabilidad varían de una forma
demasiado irregular (Figura 4), se hace necesario
revisar en la base de datos qué es lo que está
sucediendo, es decir, cuáles son los factores que
han ocasionado variabilidad. Si el problema fueran
los factores analizados, la metodología tiene la
cualidad de poder ser ajustada y calibrar los valores
a las condiciones de cada región en México. En cada
corte que presente irregularidades, se realizarán
gráficas comparativas de todos los factores
involucrados para observar cómo es que están
variando en cada evaluación, y ver si los problemas
recaen en errores por parte del ingeniero evaluador o
5 CONCLUSIONES
REFERENCIAS
Garnica P., Pérez C. (2012). “Metodología para la gestión
de cortes carreteros”, Publicación Técnica No. 370,
Instituto Mexicano del Transporte, Sanfandila,
Querétaro.
PIARC (2004). “Slope Risk Guidance for Roads”,
Technical committee 12,World Road Association
Mondiale de la Route, PIARC.
Pérez C., (2004). “Técnicas de análisis multivariante de
datos”, editorial Pearson Alhambra.
Peña D., (2002). “Análisis de datos multivariantes”,
editorial McGraw-Hill.
R.K.S. Chan Head, (2003). “Guide to Slope Maintenance”
Geotechnical Engineering Office Civil, Engineering
Department.
Suárez J., (2001). “Control de erosión en zonas
tropicales”, Universidad Industrial de Santander.
Wang et al., (2005). “Landslides, Risk Analysis and
Sustainable Disaster Management”, Berlin Heidelberg.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos
e Ingeniería Geotécnica
Cancún, Qr., 14 a 16 de noviembre de 2012
Altura del talud
Mantenimiento/limpieza
Características
del talud
Ángulo
Irregularidades
Tipo de sección transversal
Vegetación
Clima
Cuerpo
Corona
Precipitación media anual
Infiltración/agua presente
Rocas sedimentarias
Factores
Suelo
Roca
Roca cristalina
Erosión en el pie de cada capa
Grado de interestratificación
Presencia de canales
Tipo de roca
Grado de salientes
Grado de erosión en la roca
Discontinuidades
Geología
Roca empacada en suelo
Tamaño del bloque
Forma del bloque
Deslizamientos/desplazamientos
Suelos residuales
Perfil de meteorización
Escurrimiento superficial
Contacto suelo sobre roca
Figura 1. Factores de riesgo para el cálculo del IGE CC
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Tamaño de bloques/volumen
Grupo de discontinuidades
Persistencia/orientación
Abertura
Condiciones de erosión
Fricción
5
Garnica P. et al.
PUNTUACIONES
FACTORES
Rocas
Sedimentarias
Clima
Veget.
ángulo
Características del talud
CATEGORÍA
3
9
27
81
Altura
0a5m
5 m a 10 m
>10 m a 20 m
> 20 m
Mantenimiento/limpieza
Muy alto
Menor
Moderado
Alto
Suelo
< 30°
30° ≤ ángulo ≤ 40°
40° ≤ ángulo ≤ 60°
> 60 °
Roca
Categoría < 2
2 ≤ categoría ≤ 4
4 ≤ categoría ≤ 8
Categoría > 8
Irregularidades
Ninguna
Menor
Moderada
Mayor
Tipo de sección del corte
Cajón
Cajón con fallas en pav.
Balcón
Balcón con fallas en pav.
Área de captación de caídos
Clase 1. 95 % al 100 %
Clase 2. 65 % al 94 %
Clase 3. 30 % al 64 %
Clase 4. < 30 %
Poblado/arbustivo
Poblado/herbáceo
Semidesnudo/herbáceo
Desnudo
Poblado/arbóreo
Poblado/arbustivo,
semidesnudo/arbóreo
Poblado/herbáceo,
Semidesnudo/arbustivo
Desnudo,
semidesnudo/herbáceo
Precipitación media anual (mm)
≤ 200
200 < precipitación ≤ 500
500 < precipitación ≤ 850
> 850
Infiltración/agua presente
Sin humedad
Húmedo/mojado
Goteando
Agua escurriendo
Socavación en el pie de cada capa
0 a 0.3
0.3 a 0.6
0.6 a 1.5
Cuerpo
Corona
Grado de interestratificación
Formación de canales
> 1.5
Más de 2 interestratos débiles
> 15 cm
Profundidad ≤ 5 cm
5 cm < profundidad ≤ 10 cm
10 cm < profundidad ≤ 20 cm
Profundidad > 20 cm
Ancho ≤ 2 cm
2 cm < ancho ≤ 5 cm
5 cm < ancho ≤ 10 cm
ancho > 10 cm
Muy separados
Muy continuos
Muy continuos
Muy continuos
Homogéneo/macizo
Pequeñas fallas/venas
fuertes
Esquistos/zona de
cizallamiento < 15 cm
Pegmatitas
débiles/micas/zona de
cizallamiento > 15 cm
Grado de salientes
0 a 0.30
0.30 a 0.60
0.60 a 1.20
> 1.20
Grado de erosión
Reciente
Desgastado/decolorado
Ligeramente alterado/atenuado
Alterado
> 1.50/ > 6
Tamaño de bloques (m)/volumen
< 0.30 / < 0.5
0.30 a 0.60 / < 0.5 a 2
0.60 a 1.50 / < 2 a 6
Grupo de discontinuidades
1
1 aleatorio
2
>2
Persistencia/orientación
< 3 m/buzamiento hacia
adentro del talud
> 3 m/buzamiento hacia
adentro del talud
< 3 m/orientación hacia la
carretera
> 3m/orientación hacia la
carretera
3
(m )
Discontinuidades
Roca cristalina
Suelos residuales
Bloques en
matriz
Geología
Tipo de roca
1 a 2 interestratos débiles 1 a 2 interestratos débiles > Más de 2 interestratos débiles
< 15 cm
15 cm
< 15 cm
Abertura (mm)
Cerradas
0.1 a 1
1a5
>5
Condiciones de erosión
Reciente
Desgastado/decolorado
Aberturas llenas de material
granular
Aberturas llenas de material
arcilloso
Fricción
Planar lisa
Rugosa
Ondulada
Planar
Tamaño del bloque (m)
< 0.30
0.30 a 0.60
0.60 a 1.50
> 1.50
Forma del bloque
Tabulares
Cúbicos
Cúbicos angulares
Redondas lisas/planas con
inclinación hacia la vía
Deslizamientos/desplazamientos
Agrietamientos en la
corona del talud
Agrietamientos y
hundimientos notables
Acumulación del material en el
pie del talud
Deformación en forma de
gradas
Perfil de meteorización
Horizonte B-C
Horizonte B
Horizonte A-B
Horizonte A
Escurrimiento superficial
Formación de torrentes
pequeños
Menos de 1/2 corte
presenta torrentes y
canales
Más de 1/2 corte presenta
torrentes y canales
Desprendimientos y
concentración de sólidos de
arrastre en el pie
Rocas con superficie de
fricción onduladas
Rocas con superficie de
fricción planar lisa
Contacto suelo sobre roca
Presencia de rocas
Salientes de roca cúbica
fracturadas en menos de
con tamaños de 30 a 60 cm
la cuarta parte del talud
*Garnica P., et al., (2012)
Figura 2. Factores de riesgo para la obtención del IGECC
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
6
Propuesta de un indicador general de estabilidad (IGE) en cortes carreteros para fines de gestión
Figura 3. Ejemplo del registro de los IGECC de un tramo carretero
Figura 4. Ejemplo de variabilidad no satisfactoria
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.