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SERIE GUÍAS DE CLASE MECÁNICA DE ROCAS

SERIE GUÍAS DE CLASE MECÁNICA DE ROCAS

CARTILLA GUÍA DE CLASE DE MECÁNICA DE ROCAS

VERSIÓN 01-14 ELABORÓ: LICETH VIVIANA BERNAL SANABRIA

DIRIGIÓ: ING. YOLANDA CALDERÓN

BOGOTA, 2014

Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil

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AGRADECIMIENTOS

A Dios, en primer lugar, por haber sido la luz que orientó este largo camino, a mi familia por ser el pilar que me sostuvo firme en esta etapa de la vida, en especial a mi madre por forjar mi carácter y no dejarme desfallecer, a la Uniagraria por acogerme, a mis docentes por su exigencia, dedicación y sabiduría con la que me inspiran a ser una profesional mejor y a todas las personas que de una u otra forma me brindaron su aporte para que alcanzar esta meta fuese posible, por su apoyo y oportunas palabras.

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PRESENTACIÓN

Este documento ha sido la respuesta a la necesidad (tanto de los estudiantes de ingeniería civil como de los docentes de la misma) de contar con una guía de clase con el propósito de complementar los conocimientos impartidos en las aulas y profundizar en los mismos. Esta guía pretende ser un ayuda didáctica dirigida no solo a los estudiantes sino también al personal profesional encargado, así como a cualquier persona interesada en el tema.

La cartilla Guía de clase de Mecánica de Rocas es una recopilación de diferentes conceptos basados en una amplia revisión bibliográfica y en los conocimientos adquiridos en la cátedra impartida por la Universidad Agraria. Esta guía pretende plasmar una ayuda lo más completa posible en el tema.Sin embargo, existirá siempre la posibilidad de adicionar conceptos y nueva información que ayude en el desarrollo de la misma, por lo que el aprendizaje no puede estar encaminado solo a lo que se proporcione eneste documento, sino que al contrario debe ser el camino que remita al estudiante a la profundización de sus conocimientos mediantemuchos de los libros que hacen parte de la bibliografía.

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INFORMACIÓN BÁSICA SEMESTRE

DÉCIMO

AÑO

2014

INFORMACIÓN DOCENTE PROFESOR

ING. YOLANDA CALDERÓN INFORMACIÓN DEL ALUMNO

NOMBRES Y APELLIDOS

LICETH VIVIANA BERNAL SANABRIA

CODIGO

21 47 209

JORNADA

NOCTURNA

Fuente: página web UNIAGRARIA

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CONTENIDO AGRADECIMIENTOS ______________________________________________ 2 PRESENTACIÓN __________________________________________________ 3 INTRODUCCIÓN _________________________________________________ 10 1

CONCEPTOS BÁSICOS DE LA MECÁNICA DE ROCAS __________ 12 1.1

MECÁNICA DE ROCAS _____________________________________ 12

1.2

MATRIZ ROCOSA. _________________________________________ 13

1.3

ROCA. ____________________________________________________ 13

1.3.1 CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS. ___________________________ 14 1.4

MACIZO ROCOSO _________________________________________ 20

1.5

DISCONTINUIDADES ______________________________________ 22

1.5.1 CLASIFICACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES. _______________ 22 2

PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LA MATRIZ ROCOSA

Y DEL MACIZO ROCOSO ______________________________________________ 25 2.1

PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ROCAS ______________________ 25

2.2

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MATRIZ ROCOSA _________ 27

2.3

PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DEL MACIZO ROCOSO. _ 28

2.4

PROCESOS DE METEORIZACIÓN DEL MATERIAL ROCOSO. ____ 31

2.4.1 METEORIZACIÓN FÍSICA __________________________________ 32 2.4.2 METEORIZACIÓN QUÍMICA. _______________________________ 34 2.4.3 DETERMINACIÓN DEL GRADO DE METEORIZACIÓN EN ROCAS. 35 3

PERMEABILIDAD EN MATERIALES ROCOSOS ________________ 38 3.1

EFECTOS DE LA PERMEABILIDAD SOBRE MACIZOS ROCOSOS 39

3.2

ENSAYOS DE MEDICIÓN DE LA PERMEABILIDAD EN MACIZOS

ROCOSOS

39

3.2.1 Ensayo de Lefranc _________________________________________ 40 3.2.2 Ensayo de Lugeon _________________________________________ 41 Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil

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TENSIONES Y DEFORMACIONES EN LAS ROCAS ______________ 44 4.1

TENSIONES Y DEFORMACIONES EN LAS ROCAS. _____________ 44

4.2

RESISTENCIA Y FALLA ____________________________________ 46

4.3

MECANISMOS DE FALLA __________________________________ 47

4.4

RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACIÓN EN LAS ROCAS. _____ 49

DISCONTINUIDADES EN MACIZOS ROCOSOS _________________ 52 5.1

TIPOS DE DISCONTINUIDADES:_____________________________ 52

5.2

CARACTERISTICAS DE LAS DISCONTINUIDADES: ____________ 55

5.3

RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD DE MACIZOS ROCOSOS. __ 65

CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS _________________________ 68 6.1

PARÁMETROS PARA DETERMINACIÓN DE CLASIFICACIONES

GEOMECÁNICAS _____________________________________________________ 68 6.1.1 CLASIFICACIÓN TERZAGHI _______________________________ 69 6.1.2 RQD – DEERE: ___________________________________________ 70 6.1.3 CLASIFICACIÓN BIENIAWSKI (RMR) _______________________ 71 6.1.4 CLASIFICACIÓN DE BARTON (Q). __________________________ 76 6.1.5 CLASIFICACIONES HOEK Y BROWN ________________________ 81 6.1.6 CLASIFICACIÓN ROMANA _________________________________ 83 7

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES______________________ 87

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BIBLIOGRAFÍA ______________________________________________ 88

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Clasificación de las Rocas. __________________________________________________________ 14 Tabla 2. Clasificación Rocas de acuerdo a su Origen ____________________________________________ 15 Tabla 3 Clasificación de Rocas ígneas ________________________________________________________ 16 Tabla 4 Clasificación de Rocas Metamórficas. _________________________________________________ 17 Tabla 5 Clasificación de Rocas Sedimentarias__________________________________________________ 19 Tabla 6 Propiedades de las Discontinuidades __________________________________________________ 23 Tabla 7 Propiedades Físicas de las Rocas _____________________________________________________ 26 Tabla 8 Propiedades Mecánicas de la Matriz Rocosa ____________________________________________ 27 Tabla 9 Clasificación Geomecánica de las Rocas _______________________________________________ 30 Tabla 10 Procesos de Meteorización de Origen Físico ___________________________________________ 33 Tabla 11 Meteorización de Origen Químico. ___________________________________________________ 34 Tabla 12 Grado de Meteorización en las Rocas. ________________________________________________ 35 Tabla 13 Clasificación de Varios de Los Grados de Meteorización e Indicación de Propiedades Ingenieriles. _ 36 Tabla 14 Clasificación de varios de los grados de Meteorización. __________________________________ 37 Tabla 15 Clasificación de Macizos Rocosos en Función de la Permeabilidad __________________________ 43 Tabla 16 Mecanismos de Falla en Macizos rocosos. ____________________________________________ 47 Tabla 17 Tipos de Diaclasas o Juntas de acuerdo a su Origen _____________________________________ 53 Tabla 18 Clasificación de Macizos Rocosos de acuerdo al espaciamiento entre discontinuidades. _________ 58 Tabla 19 Terminología Utilizada para medir la Persistencia y sus respectivos valores. __________________ 59 Tabla 20 Descripción de la Abertura en Discontinuidades. ________________________________________ 62 Tabla 21 Clasificación de Rocas según la resistencia de la Pared de las discontinuidades. _______________ 65 Tabla 22 Clasificaciones de Terzaghi para masas rocosas. ________________________________________ 69 Tabla 23 Clasificación de Rocas según Índice RQD de DEERE. _____________________________________ 71 Tabla 24 Clasificación de Macizos Rocosos de acuerdo al espaciado de Juntas. _______________________ 72 Tabla 25Orientaciones Relativas entre las Juntas y el eje de la Cavidad. _____________________________ 73 Tabla 26 Clasificación Geomecánica RMR de Bieniawski. ________________________________________ 74 Tabla 27 Corrección por Orientación de Discontinuidades. _______________________________________ 75 Tabla 28Clase de Macizo Rocoso. Clasificación de Bieniawski, ____________________________________ 75 Tabla 29 Valor de Jn de acuerdo al número de Juntas. ___________________________________________ 77 Tabla 30 Rugosidad de la discontinuidad más desfavorable. ______________________________________ 77 Tabla 31 Grado de Rugosidad y Relleno de las discontinuidades. __________________________________ 78 Tabla 32Factor de Reducción por Agua. ______________________________________________________ 79 Tabla 33 Factor de Reducción de Esfuerzo en Macizos rocosos.____________________________________ 79 Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil

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Tabla 34 Rangos Valores de Parámetros para Clasificación Q. ____________________________________ 80 Tabla 35 índice de Calidad del Macizo de acuerdo a Q de Barton __________________________________ 80 Tabla 36 Estimación del GSI a partir de datos geológicos, para macizos rocosos fracturados ____________ 82 Tabla 37 Valoración de Orientación de la discontinuidades para SMR. ______________________________ 83 Tabla 38 Valoración de los Parámetros F1, F2 y F3, propuesta por Romana. _________________________ 85 Tabla 39 Factor de ajuste del factor F4 según método de excavación, propuesto por Romana. ___________ 85 Tabla 40 Clasificación de Macizos Rocosos de acuerdo a Romana. _________________________________ 86

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Formación de Rocas Ígneas o Magmáticas. ____________________________________________ 16 Figura 2 Metamorfismo Regional ___________________________________________________________ 18 Figura 3 Metamorfismo de Contacto. ________________________________________________________ 18 Figura 4 Arrecife de Coral Gran Barrera de Australia de 2000 km de largo, Rocas sedimentarias. _________ 18 Figura 5 Características Principales de las Discontinuidades. ______________________________________ 24 Figura 6 Pumita o Piedra Pómez. Porosidad en las rocas. ________________________________________ 25 Figura 7 Factores Geológicos del Macizo Rocoso. ______________________________________________ 28 Figura 8 Procesos de Meteorización de Materiales Rocosos ______________________________________ 32 Figura 9 Meteorización mecánica por efecto del hielo ___________________________________________ 32 Figura 10 Origen de la Esquistosidad en una Roca Metamórfica por reorientación de los minerales _______ 33 Figura 11 Tipos de Permeabilidad en Materiales Rocosos ________________________________________ 38 Figura 12 Ensayo de Lefranc. ______________________________________________________________ 40 Figura 13 Ensayo de Lugeon Obturador Simple ________________________________________________ 42 Figura 14 Deformaciones en Material Rocoso. _________________________________________________ 45 Figura 15 Falla por Flexión de la Clave de una Galería. __________________________________________ 48 Figura 16 Falla por Esfuerzo Cortante de un Talud. _____________________________________________ 48 Figura 17 Fallas más comunes en afloramientos, a. Falla Planar, b. Falla en cuña y c. Falla por Volcamiento 48 Figura 18 Comportamientos en las rocas: curvas esfuerzo deformación _____________________________ 50 Figura 19 Diaclasas persistentes en afloramiento. ______________________________________________ 53 Figura 20 Planos de Estratificación __________________________________________________________ 54 Figura 21 Falla Normal en Afloración. _______________________________________________________ 55 Figura 22 Principales Características de las Discontinuidades. _____________________________________ 56 Figura 23 Orientación de las Discontinuidades. ________________________________________________ 56 Figura 24 Representación del Espaciamiento de Discontinuidades. _________________________________ 57 Figura 25 Representación de una diaclasa son Separación de cada 2 m._____________________________ 58 Figura 26 Ejemplo de Diaclasa Escalonada ____________________________________________________ 59 Figura 27 Discontinuidad de 7m con ambos extremos fuera del afloramiento. ________________________ 60 Figura 28 Perfiles de Rugosidad para discontinuidades. _________________________________________ 61 Figura 29 Calificación de la Rugosidad de la pared del plano de discontinuidad mediante Perfilómetro.____ 62 Figura 30 Abertura en Diaclasa de 2cm con relleno _____________________________________________ 63 Figura 31 Discontinuidades con material de relleno de óxido de Hierro. _____________________________ 63 Figura 32 Representación de Sets en un Macizo Rocoso. _________________________________________ 64 Figura 33 Transición entre la Matriz Rocosa y el Macizo Rocosos Intensamente Fracturado _____________ 66 Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil

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INTRODUCCIÓN El desarrollo de la mecánica de rocas se inició como consecuencia de la “utilización del medio geológico para obras superficiales, subterráneas y explotación de recursos mineros” (González de Vallejo L. I, 2002, pág. 118). Los distintos ámbitos de aplicación de la mecánica se pueden agrupar en aquellos en los que el material rocoso constituye la estructura como lo son la excavación de túneles, galería y taludes y aquellos en los que la roca es el soporte de otras estructuras como cimentaciones de edificios y presas.

El presente texto constituye un compilado de conceptos básicos referidos al área de mecánica de rocas, dirigido a los estudiantes de mecánica de rocas de la Universidad Agraria de Colombia y que hace parte de la cátedra que lleva el mismo nombre, impartida en la misma universidad.

La presente guía pretende definir el comportamiento de los materiales rocosos destinados a obras civiles así como establecer una base de conocimientos que lleven a la profundización de conceptos mediante la bibliografía relacionada, con la intención de llegar a comprender los esfuerzos que puede soportar el material y las deformaciones ante determinadas condiciones de carga que permitan evaluar el comportamiento mecánico de los macizos rocosos y el material que los constituye, para ser utilizados como elemento esencial en obras de ingeniería civil.

La siguiente información se organiza principalmente en tres áreas; la primera referente a los conceptos básicos de la mecánica de rocas expresada en el capítulo 1, la segunda, que se encarga de la descripción de las características de la roca y los macizos rocosos presentados en los capítulos 2, 3, 4 y 5, y la tercera, la clasificación geomecánica de los macizos rocosos respecto de su comportamiento mecánico. El capítulo 6se destina a lo aplicable a obras civiles.

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En el presente documento se hace referencia principalmente a los conceptos establecidos por la Sociedad Internacional de mecánica de Rocas ISRM 1981, González de Vallejo 2002 y Salcedo Daniel en el curso de Geología y Geomorfología, SGC 2009.

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CONCEPTOS BÁSICOS DE LA MECÁNICA DE ROCAS

El concepto de mecánica de rocas, así como las diferencias entre rocas y macizos, son parte de los conceptos básicos que comprende la mecánica de rocas y que se describen a continuación, referenciados a diferentes autores y adaptados finalmente a la clase de mecánica de rocas que se imparte en la universidad Agraria de Colombia.

1.1

MECÁNICA DE ROCAS

La Mecánica de Rocas surge de la necesidad del ser humano en la utilización del medio geológico en obras de ingeniería civil, “se ocupa del estudio teórico y práctico de las propiedades y comportamiento mecánico de los materiales rocosos, y de su respuesta ante la acción de fuerzas aplicadas en su entorno físico”. (González de Vallejo L. I, 2002).

La Mecánica de Rocas es también definida como la ciencia teórica y aplicada que trata del comportamiento mecánico de las rocas; es la rama de la mecánica que estudia la reacción de las rocas a los campos de fuerza de su entorno físico1, esta definición comprende no solamente el papel de la mecánica sino que es suficientemente general para aplicarse a problemas de cualquier escala.

Los campos de aplicación de la mecánica de Rocas se pueden agrupar en aquellos en los que el material rocoso constituye la estructura como lo son excavación de túneles, galerías y taludes, o aquellos en los que la roca es el soporte de otras estructuras como la cimentación de edificios y presas, entre otros.

En el presente texto el concepto de Mecánica de Rocas hará referencia a la rama de la ingeniería y la Geología que se ocupa del estudio teórico y práctico de las propiedades y comportamiento mecánico de los materiales rocosos, y su reacción ante los esfuerzos y deformaciones aplicados en su entorno físico.

1

Congreso Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas, ISRM, Lisboa 1966.

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1.2

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MATRIZ ROCOSA.

La matriz rocosa corresponde al material rocoso exento de discontinuidades, o los bloques de roca intacta, que quedan entre ellas. La matriz rocosa, a pesar de considerarse continua presenta un comportamiento heterogéneo y anisótropo ligado a su fábrica y a su micro estructura mineral. Mecánicamente queda caracterizada por su peso específico, resistencia y deformabilidad. (González de Vallejo L. I, 2002)

1.3

ROCA.

Las rocas son agregados naturales duros y compactos de partículas con fuertes uniones cohesivas permanentes que habitualmente se consideran un sistema continuo (González de Vallejo L. I, 2002)

Son el material más común y abundante de la Tierra. Las rocas constan de cristales o granos más pequeños denominados minerales. Los minerales son compuestos químicos cada uno de elloscon su propia composición y sus propiedades físicas. (Tarbuck, y otros, 2005).

La naturaleza y el aspecto de la roca están fuertemente influidos por los minerales que la componen. Por lo tanto la roca puede definirse como agregados de más de una especie mineral, que presenta los mismos caracteres de conjunto en un área de cierta extensión de la corteza terrestre (Plaza Diez, 2004)

El término Roca hace referencia a agregados naturales duros y compactos de partículas con fuertes uniones cohesivas permanentes que habitualmente se consideran un sistema continuo y que presenta estructuras como estratificación, foliación o diaclasas, independiente de que el material pueda ser removido por medios mecánicos de baja intensidad. (Salcedo SGC, 2009).

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1.3.1 CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS.

Las rocas se pueden clasificar de diferentes formas; de acuerdo a su origen y de acuerdo a su composición mineralógica como se presenta en la Tabla 1.

Tabla 1Clasificación de las Rocas.

CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS TIPOS DE ROCA

DE ACUERDO A SU ORIGEN COMPOSICIÓN MINERALÓGICA

ROCAS

ÍGNEAS O ERUPTIVAS

SEDIMENTARIAS

DESCRIPCIÓN

REFERENCIA

Formadas cuando la roca fundida denominada magma se enfría y solidifica. Si el enfriamiento es lento se forman rocas Ígneas Intrusivas, por el contrario si el enfriamiento es rápido Tarbuck E. &Lutgens como en el caso de Erupciones F. (2005) “Ciencias Volcánicas las rocas se denominan de la Tierra”. extrusivas o volcánicas.

Madrid: Pearson Education S.A. Originadas por el transporte, depositación y cementación de Ayala Caicedo. materiales como consecuencia de la (1987). “Manual de acción del viento, el agua, el hielo y Taludes”. otros factores, o depositadas MadridInstituto químicamente a partir de un fluido Geológico y Minero acuoso. de España.

METAMORFICAS

Se generan a partir de rocas Puig J. (1970). preexistentes que han sufrido cambios “Geología aplicada a debido al aumento de temperatura y la Ingeniería Civil y cambios de presión por procesos Fotointerpretación”. geológicos.

ROCAS SIMPLES

Formadas por un solo tipo de Mineral

COMPUESTAS

ELÁSTICAS

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Formadas por dos o más minerales

Formadas por la disgregación de otras, como la arena y la arcilla

Salcedo D. SGC (2009) “Curso de Geología y Geomorfología”.

Bogotá D.C.

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A su vez las rocas clasificadas según el origen pueden subdividirse de acuerdo como se muestra en la Tabla 2.

Tabla 2. Clasificación Rocas de acuerdo a su Origen CLASIFICACIÓN

ÍGNEAS O ERUPTIVAS

INTRUSIVAS O PLUTÓNICAS

HIPABISALES

SEDIMENTARIAS

ROCAS

EXTRUSIVAS O VOLCANICAS DE SEDIMENTOS DETRICOS DE SEDIMENTOS ORGANÓGENOS DE ORIGEN QUIMICO

METAMORFICAS

DINANOMETAMORFICAS METAMORFICAS PROPIAMENTE DICHAS MÁFICAS

ULTRAMÁFICAS

CARBONÁTICAS

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DESCRIPCIÓN EJEMPLOS REFERENCIA La cristalización se produce en Granito: una zona profunda de la Compuestas por corteza.

Cuarzo y Feldespato.

Son formadas a profundidades intermedias gracias al Dique con Cuarzo, desplazamiento parcial de Feldespatos masas de magma, por sus Alcalinos y características es muy difícil Plagioclasas.

Tarbuck E. &Lutgens diferenciarla de los demás F. (2005) “Ciencias grupos. de la Tierra”.

Producida cuando la Una muy frecuente y Madrid: Pearson solidificación tiene lugar en la fácil de reconocer es Education S.A. superficie. el basalto.

Originadas por material rocas preexistentes

de

Como las arcillas y las areniscas

Ayala Caicedo.

Resultado de acumulación de Lumaquelas (Calizas (1987). “Manual de restos orgánicos de animales y formadas por Taludes”. Madrid vegetales.

Conchas).

Instituto Geológico La halita y el yeso y Minero de España.

Formadas por precipitaciones formadas por de compuestos químicos. evaporación de disoluciones salinas.

Rocas que han sufrido cambios mineralógicos notables Puig J. (1970).

“Geología aplicada a Re-cristalización que da lugar a otras especies la Ingeniería Civil y mineralógicas Fotointerpretación”.

Rocas derivadas de rocas ígneas Máficas e incluso de Rocas Sedimentarias Ricas en FeO, MgO y CaO. Son rocas resultantes de metamorfismo de Iherzolitas, dunitas y otros tipos de roca ultramáficas de procedencia mantélica. En caso de Sufrir procesos de hidratación dan lugar a serpentinas.

Son resultado de metamorfismo en rocas de calizas, dolomías y pelitas Calcáreas que dan lugar a calcoesquistos o calciesquistos.

Eclogita y Granulita

Serpentinita y Metadunita.

Mármol y Roca Calcosilicatada.

González de Vallejo.

(2002). “Ingeniería Geológica”. Madrid: Prentice Hall.

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Las rocas ígneas pueden clasificarse de acuerdo a su origen y composición química tal como se muestra en la Tabla 3.

ROCAS ÍGNEAS

Tabla 3Clasificación de Rocas ígneas

De acuerdo a su Origen

De acuerdo a su Composición Química

CLASIFICACIÓN DE ROCAS ÍGNEAS CLASIFICACIÓN DESCRIPCIÓN EJEMPLOS REFERENCIA Formadas por el enfriamiento muy lento del INTRUSIVAS O Magma a gran profundidad. Granito, pegmatita y PLUTÓNICAS Generalmente los cristales diorita entre otras. pueden identificarse a vista o con la ayuda de lentes.

Tarbuck E. Su formación no se produce &Lutgens F. HIPABISALES O Piedra Pómez, perlita a tanta profundidad como (2005) FILONIANAS y Tobas. las plutónicas “Ciencias de Una muy frecuente y la Tierra”.

Producida cuando la fácil de reconocer es Madrid: EXTRUSIVAS O solidificación tiene lugar en el basalto, la riolita Pearson VOLCANICAS la superficie. por el contrario Education presente tonos claros.

S.A. ÁCIDA >65% SiO2 (Granito) SUB-ÁCIDA SUB-BÁSICA BÁSICA

Basada en la cantidad de 65-52% SiO2 (Sienita) Sílice (SiO2) presente en las <45% SiO2 (Gabro) rocas.

52-45% SiO2 (Peridotita)

En la Figura 1 se muestra esquemáticamente el lugar donde se produce la consolidación del Magma.

Figura 1Formación de Rocas Ígneas o Magmáticas.

Proyecto Adarve, (2011). Madrid: Universidad de Oxford

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Dependiendo de la rapidez con la que se enfríe el magma se determina la clasificación de las rocas ígneas ya mencionadas correspondiente a tres grupos de rocas; Intrusivas, Extrusivas, Hipabisales o Filonianas.

A su vez las Rocas Metamórficas pueden clasificarse de acuerdo a su nivel de metamorfismo, su textura rasgos estructurales y composicionales de acuerdo como se muestra en laTabla 4.

Tabla 4Clasificación de Rocas Metamórficas.

Constituyen aquellas rocas mecánicamente aplastadas o deformadas pero que han sufrido cambios mineralógicos notables. Entre estas tienen DINANOMETAimportancia los Esquistos pizarrosos MORFICAS correspondientes a rocas sedimentarias pelíticas que por acción mecánica han adquirido una forma de fractura foliada.

Corresponde a aquellas que han sufrido una re cristalización más o menos intensa, dando lugar a la METAMORFICAS aparición de nuevas especies mineralógicas. Entre PROPIAMENTE las foliadas se pueden señalar los esquistos y los DICHAS Gneis y entre las no foliadas las cuarcitas y los mármoles.

GRANOBLASTICA: Los cristales forman un mosaico más o menos equidimensional con fuerte tendencia al empaquetamiento hexagonal.

LEPIDOBLASTICA: Caracterizada por minerales laminares intercrecidos y homogéneamente orientados con planos más o menos paralelos entre sí.

NAMATOBLÁTICA: Definida por minerales aciculares (generalmente anfíboles) orientados homogéneamente con sus ejes mayores paralelos entre sí.

PORFIDOBLÁSTICA: Existencia de cristales de mayor tamaño que la matriz.

CRISTOBLASTICA

DE ACUERDO A SU TEXTURA BASADA EN RASGOS ESTRUCTURALES Y COMPOSICIONALES

ROCAS METAMORFICAS

DE ACUERDO AL GRADO DE METEORIZACIÓN

CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS METAMORFICAS CLASIFICACIÓN EJEMPLOS

FOLIADAS O ESQUISTOSAS

Correspondiente a las pizarras, filitas, esquistos, anfibolitas entre otras.

NO FOLIADAS O MASIVAS

Compuesto por las coreanas, granulitas, cuarcitas, mármoles entre otras.

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REFERENCIA

Fadda G. Cartilla Génesis, Universidad Nacional de Tucumán.

Recuperado (1 de mayo de 2014).

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Las rocas metamórficas son el resultado de cambios en las rocas debido al aumento de presión, temperatura o de ambos factores a la vez; en lasFigura 2 yFigura 3se muestran los dos tipos de metamorfismo más común.

Figura 2Metamorfismo Regional

Figura 3Metamorfismo de Contacto.

Adarve. (2011). Proyecto Biología y Geología.

Madrid: Universidad de Oxford.

La meteorización y los procesos de erosión en las rocas producen la desintegración de las mismas dando como resultado partículas que son transportadas por diversos agentes y acumuladas en diferentes lugares donde sufren transformaciones cementándose y dando lugar a las rocas sedimentarias.

Uno de los ejemplos comunes de rocas sedimentarias, son los arrecifes de coral, los cuales pueden llegar a ocupar extensas áreas gracias a la ayuda de organismos.

Figura 4Arrecife de Coral Gran Barrera de Australia de 2000 km de largo, Rocas sedimentarias.

Carlos Boggetti C. (2011). Galería Blog de Ciencias de la Tierra.

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Las rocas sedimentarias se pueden clasificar en dos grandes grupos como se muestra en la Tabla 5.

Tabla 5Clasificación de Rocas Sedimentarias CLASIFICACIÓN ROCAS SEDIMENTARIAS

ROCAS SEDIMENTARIAS

CLASIF.

DESCRIPCIÓN

Formadas por el desmantelamiento de otras. Se forman a partir de Fragmentos de rocas o minerales que han sufrido un transporte y una sedimentación por CLASTICAS medio de algún O agente geológico DETRÍTICAS externo. De acuerdo a la escala granulometría de Udden-Wenworth (Teruggi, 1982) se pueden clasificar en Peliticas, Psefiticas y Psamitas.

La apariencia es diferente a las rocas detríticas. No puedes NO observar granos DETRITICAS sedimentarios ya que se origina de forma diferente.

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SUBCLASIFICACIÓN Y EJEMPLOS

REFERENCIA

PSEFÍTAS o de grano grueso, clastos > 2mm que se encuentran asociados a una matriz arenosa o pelítica y cementados por precipitados químicos, dentro de estas se consideran los conglomerados con clastos redondeados y las brechas con clastos angulosos.

PSAMITAS o de grano mediano, dominadas por granos de tamaño variable entre 0,062 mm y 2mm que se acompañan dentro de una matriz limo-arcillosa y cemento como la calcita o sílice entre otras. (Correspondiente a las arenas y las areniscas.

Tarbuck E. &Lutgens F. (2005) “Ciencias de la Tierra”.

Madrid: Pearson Education S.A.

PELITAS: Corresponden alrededor del 50% de las rocas sedimentarias y están formadas por partículas menores a 63 micras (Tamaño del Limo 62 a 4 micras y las Arcillas menos de 4 micras), dentro de las sueltas se encuentra el Loess (Generalmente calcáreo de granulometría media o moderadamente fina, transportado y depositado por el viento durante los Plaza Diez. (2004).

“Geología interglaciares), los limos y las Arcillas, dentro de Aplicada a la las Coherentes los esquistos.

Ingeniería Civil”.

Madrid.

CARBONATADAS: Formadas por carbonatos de Universidad calcio y de magnesio extraídos por los seres Politécnica de vivos del agua y utilizados para fabricar sus Madrid. conchas y esqueletos. También pueden formarse por precipitación química. Las más abundantes son las calizas y dolomías.

EVAPORITAS: Que se originan por la cristalización de sales, que se precipitan como consecuencia de la evaporación del agua, los ejemplos más comunes corresponden a la sal común y el yeso.

ORGANÓGENAS: Se generan a partir de la acumulación de partes blandas de los seres vivos. Dentro de estas se distinguen dos tipos; los carbones y los petróleos.

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1.4

MACIZO ROCOSO El macizo rocoso es un conjunto constituido por una o varias matrices rocosas

(Plaza Diez, 2004) que: •

Presentan una determinada estructura

•

Que está afectado por un cierto grado de alteración

•

Que tienen una serie de discontinuidades

Los Macizos Rocosos se presentan afectados por una serie de planos de discontinuidad o debilidad que separan los bloques de matriz rocosa formando macizos rocosos.(González de Vallejo, 2002).

En el presente texto se considerará como macizo rocoso al conjunto de bloques de Matriz Rocosas y de las discontinuidades de diverso tipo que afectan el medio rocoso.

Mecánicamente los macizos rocosos son medios discontinuos, anisótropos y heterogéneos y prácticamente puede considerarse que presentan una resistencia nula a la tracción.

(González de Vallejo, 2002).

Los macizos rocosos poseen resistencia nula a la tracción. Algunos autores adicionan su carácter heterogéneo, anisotrópico de carácter discontinuo debido a su naturaleza y la orientación de los planos de discontinuidad que condicionan su comportamiento tanto geomecánico como hidráulico. 

Anisotropía: Se refiere a “la presencia de planos de debilidad de orientaciones preferentes (estratificación, laminación, familias de diaclasas tectónicas) implica diferentes propiedades y comportamiento mecánico en función de la dirección considerada” (González de Vallejo L. I, 2002).



Discontinuidad: hace referencia a la presencia de planos de discontinuidad en el macizo rocoso como las superficies de estratificación, fallas, juntas y diques entre otras, en general constituye toda aquella característica que rompe la discontinuidad

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de las propiedades mecánicas de los bloques rocosos otorgando un comportamiento geomecánico e hidráulico discontinuo. 

Heterogeneidad: la heterogeneidad hace referencia a las zonas con diferente litología, grado de meteorización, alteración, o contenido de agua causando la diferencia de propiedades.

Las discontinuidades en conjunto con los bloques de matriz constituyen el macizo

rocoso, cuyo comportamiento global condiciona su resistencia, además de ello existen otros factores que afectan el comportamiento mecánico de macizo. (González de Vallejo, 2002), como las que se mencionan a continuación: 

Las tensiones naturales alas que está sometido el macizo.



Las condiciones hidrogeológicas y los factores geoambientales



Estructuras tectónicas y sedimentarias no discontinuas en el macizo rocoso, como lo son los pliegues.

“La roca o matriz rocosa aunque se considera continua e isótropa presenta a escala

microscópica un carácter discontinuo, anisótropo y heterogéneo debido a la presencia de planos de laminación, microfisuras y orientación preferente de minerales, sin embargo bajo el punto de vista geotécnico esta se considera continua en relación con el macizo rocoso en su conjunto”(González de Vallejo L. I, 2002).

La modificación de las condiciones iníciales del macizo rocoso está dada por las obras a realizar sobre el terreno debido a las fuerzas que actúan sobre ellos, tanto las internas como el peso o las propiedades intrínsecas2 y como las externas debido a las presiones intersticiales3 por modificación de flujo y de los niveles freáticos.

Las modificaciones, características, propiedades resistentes y deformacionales de los materiales controlan la respuesta mecánica y los modelos de deformación y falla.

2

Las propiedades intrínsecas del material rocoso hacen referencia a las propiedades específicas del material que no varían con

la cantidad de materia. (González de Vallejo L. I, 2002) 3

Las presiones intersticiales hacen referencia a las presiones ejercidas sobre los poros o vacios del material rocoso. (Caicedo,

2006)

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Los factores que dominan el comportamiento y las propiedades mecánicas de los macizos rocosos son: 

La litología y las propiedades de la matriz rocosa.



Estructura geológica y las discontinuidades



Estado de esfuerzos a los que está sometido el material



Condiciones hidrogeológicas

1.5

DISCONTINUIDADES

Se considera discontinuidad a cualquiera de los planos que separan los bloques de la matriz rocosa de un macizo rocoso (Planos de Estratificación, Planos de Foliación, Fallas, vetas etc.), se caracteriza por la resistencia al corte del material rocoso o el material de relleno de la discontinuidad. Las discontinuidades pueden ser descritas mediante la observación tanto de afloramientos como de núcleos de perforación y fotogrametría terrestre4.

1.5.1 CLASIFICACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES.

Las discontinuidades se clasifican en dos grupos: 

Primarias: Estas se originan con el material como lo son la Estratificación y la Foliación.



Secundarias: Son posteriores a la formación del material y son diaclasas, fracturas y fallas, entre otras.

La caracterización de masas rocosas incluyen características y parámetros

geométricos, algunos de ellos determinan el comportamiento mecánico y la resistencia de los planos de discontinuidad.

4

Salcedo. (2009). Curso de Geología y Geomorfología. Bogotá D.C: SGC

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En la Tabla 6 se establecen las características principales que se deben tener en cuenta en la caracterización de discontinuidades.

Tabla 6 Propiedades de las Discontinuidades

DISCONTINUIDADES

CARACTERISTICAS

DESCRIPCIÓN

1 Orientación

Se determina mediante el uso de una Brújula con Clinómetro.

2 Espaciamiento

Controla el tamaño de Bloques Individuales de la Roca Intacta

3 Persistencia

Extensión a real o tamaño de la discontinuidad.

4 Ondulación

Tienen una dimensión tal que es poco probable que sean cizalladas.

Corresponden a cualquier plano que separa los 5 Rugosidad bloques de matriz rocosa.

Pueden ser descritas mediante la 6 Abertura observación de afloramientos y por métodos de 7 Número de Familias (Sets) Fotogrametría terrestre.

8 Tamaño de Bloque

9 Resistencia de la Pared 10 Resistencia de la Roca

Suficientemente pequeñas como para ser cizalladas durante el movimiento a lo largo del plano de la discontinuidad.

Distancia perpendicular que separa las paredes adyacentes de una discontinuidad Familias de discontinuidades con similar orientación. Afectan el comportamiento mecánico del macizo.

Según Palmstrom existen cuatro tipos principales de bloques; equidimesional, plano, largo y Largo y Plano.

Se estima mediante tablas de identificación o pruebas con el martillo de Schmidt Se estima mediante pruebas índice Manuales

Tomado de (Salcedo SGC, 2009)

La Figura 5 muestra las principales características de las discontinuidades que se pueden presentar en un macizo rocoso, sin embargo, la profundización de este tema al igual que la afectación de las mismas en el comportamiento del macizo rocoso se describe en el capítulo4.

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Figura 5Características Principales de las Discontinuidades.

Tomado: González de Vallejo, (2002).

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2

PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LA MATRIZ ROCOSA Y DEL MACIZO ROCOSO A continuación se realiza una descripción de las propiedades físicas y mecánicas de

las rocas y el macizo rocoso.

2.1

PROPIEDADESFÍSICAS DE LAS ROCAS

Las propiedades físicas de las rocas, son el resultado de su composición mineralógica, fábrica e historia geológica, deformacional y ambiental, incluyendo los procesos de alteración y meteorización. La variabilidad de estas propiedades se refleja en los diferentes comportamientos mecánicos frente a las fuerzas aplicadas sobre las rocas.

Serán las propiedades físicas de las rocas las que determinen el comportamiento mecánico.

(González de Vallejo L. I, 2002)

Estas se determinan en el laboratorio; las más importantes a nivel de comportamiento mecánico se relacionan en laTabla 7, algunas además de servir para su clasificación están relacionadas con las características resistentes y deformacionales de las rocas, en la Figura 6se presenta un ejemplo de la porosidad en las rocas.

Figura 6 Pumita o Piedra Pómez. Porosidad en las rocas.

Tomado de: (Fernández Fernández, 2009)

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Tabla 7Propiedades Físicas de las Rocas González de Vallejo, 2002 y Salcedo SGC, 2009.

PESO ESPECIFICO PERMEABILIDAD DURABILIDAD

PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ROCAS

POROSIDAD

DESCRIPCIÓN La relación que existe del volumen de poros al volumen total de la roca, o el volumen ocupado por los huecos o poros en las rocas y el volumen total. Es la propiedad que más afecta a las características resistentes y mecánicas, siendo esta inversamente proporcional a la resistencia y a la densidad y directamente proporcional a la deformabilidad ya que la presencia de huecos puede dar lugar a zonas de debilidad.

Depende de sus componentes, y se define como el peso por unidad de volumen. Sus unidades son de fuerza (Newton, Tonelada-fuerza) por volumen. Por lo general este término también se designa para citar la densidad por lo que en algunos textos se refieren a este como la densidad y viceversa. A diferencia de los suelos las rocas presentan gran variedad en valores de peso específico.

Es la capacidad de transmitir agua de una roca. La filtración y el flujo de agua a través de la matriz rocosa se producen a favor de los poros y fisuras, dependiendo la permeabilidad de la interconexión entre ellos y de otros factores como el grado de meteorización, la anisotropía o el estado de esfuerzos al que está sometido el material. La permeabilidad de una roca se mide por el coeficiente de permeabilidad o de conductividad hidráulica k, que se expresa en m/s, cm/s ó m/día.

Resistencia que la roca presenta ante los procesos de alteración y desintegración, propiedad a la que también se alude como alterabilidad, definiéndose en este caso como la tendencia a la falla de los componentes o de las estructuras de la roca. La durabilidad de la roca aumenta con la densidad y se reduce con el contenido de agua, su índice de medición corresponde a ID= Índice de Durabilidad de la Roca.

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ECUACIÓN

REFERENCIA

Donde n= Porosidad

González de Vallejo L. (2002).

“Ingeniería Geológica”. Madrid: Peso específico = Densidad Prentice Hall. cuerpo/Densidad agua a 4°C Puig Juan. (1970).

“Geología Aplicada a la Ingeniería Civil y Fotointerpretación”, Pág. 117. ⁄ Donde K corresponde a la permeabilidad intrínseca, gw es el peso específico del agua y µ la viscosidad del agua

Ramírez P &Oyanguren L. (2007). “Mecánica de Rocas: Fundamentos e Ingeniería de Taludes”. Madrid: Re Desir.

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2.2

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MATRIZ ROCOSA

Las propiedades mecánicas de la matriz rocosacontrolan las interrelaciones producto de las propiedades físicas que generan su comportamiento esfuerzo-deformación y se relacionan en la Tabla 8.

Tabla 8Propiedades Mecánicas de la Matriz Rocosa Tomado González de Vallejo, (2002), Modificado por Autor. (2014)

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE RESISTENCIA A LA TRACCIÓN VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS ELÁSTICAS

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MATRIZ ROCOSA

DESCRIPCIÓN

ECUACIÓN

Máximo esfuerzo que soporta la roca sometida a compresión uniaxial.

Ft=Fuerza Compresiva Aplicada y A= Área de Aplicación.

Máximo esfuerzo que soporta el material ante la falla por tracción. Donde Ft= Fuerza de Tracción Aplicada y A= Área -Sección de la Probeta.

Su medida aporta información sobre algunas características como la porosidad. . La velocidad de las ondas longitudinales o de compresión Vp, se utiliza como índice de clasificación, y su valor es indicativo de la calidad de la roca, correlacionándose linealmente con la resistencia a compresión simple E= Módulo Elástico de la Roca µ= Coeficiente de Poisson de la Roca p= Densidad de la Roca

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⁄

⁄

√ ⁄

⁄

MÉTODO DE ENSAYO Ensayo de Compresión Uniaxial, Ensayo de Carga Puntual y Martillo de Schmidt.

Ensayo de Tracción Directa y Ensayo de Tracción Indirecta.

BIBLIOGRAFÍA

Ramirez P &Oyanguren L. (2007).

“Mecánica de Rocas: Fundamentos e Ingeniería de Taludes”.

Madrid: Re Desir.

González de Vallejo.

(2002).

Medida de “Ingeniería Velocidad de Ondas Geológica”.

Elásticas en Madrid: Prentice Hall el Laboratorio

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2.3

PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DEL MACIZO ROCOSO.

El comportamiento del macizo rocoso (bloques de matriz rocosa más discontinuidades) está dado por las propiedades de la matriz rocosa que lo constituyen; sus propiedades resistentes y deformacionales como la alteración o meteorización que influye en rocas poco resistentes, cuya afectación se hace mayor con el paso del tiempo y la exposición a factores ambientales; además de ello, la frecuencia y el tipo de discontinuidades existentes en el macizo rocoso determinan en su mayor parte el comportamiento global del macizo aunque la existencia de otros factores como lo son estructuras tectónicas (pliegues), tensiones naturales, condiciones hidrogeológicas y los factores geoambientales afectan en conjunto el comportamiento mecánico del mismo.

Los factores geológicos que dominan el comportamiento y las propiedades mecánicas del macizo rocoso se presentan en la Figura 7.

Figura 7Factores Geológicos del Macizo Rocoso.

Tomado de González de Vallejo L.I. (2002) y (Salcedo SGC, 2009). Modificado por Autor (2014).

LITOLOGÍA Y PROPIEDADES DE LA MATRIZ ROCOSA

FACTORES GEOLÓGICOS

ESTRUCTURA GEOLÓGICA Y DISCONTINUIDADES Dominan comportamiento y las propiedades mecánicas del Macizo.

ESTADO DE ESFUERXOS AL QUE ESTÁ SOMETIDO EL MATERIAL

GRADO DE ALTERACIÓN O METEORIZACIÓN

CONDICIONES HIDROGEOLÓGICAS.

Los esfuerzos actuantes sobre las rocas determinan los modelos de deformación y el comportamiento mecánico del conjunto del macizo rocoso,las clasificaciones geotécnicas o Geomecánicasen general para los diferentes tipos de macizos rocosos han sido difícil de establecer debido a la variabilidad de los factores mencionados anteriormente, el carácter discontinuo y anisotrópico de los macizos. (González de Vallejo, 2002).

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29

En mecánica de rocas las clasificaciones más útiles son las denominadas clasificaciones Geomecánicas entre las que se establecen RMR de Bieniawski y la Q de Barton, como las más utilizadas(González de Vallejo, 2002); estas establecen diferentes grados de calidad del macizo en función de las propiedades de la matriz rocosa y de las discontinuidades que proporcionan valores estimativos de sus propiedades resistentes globales. Existen otras clasificaciones basadas en diferentes parámetros de las propiedades del macizo rocosos como lo son Therzagui 1946, Romana 1985, Índice de Resistencia Geológica (GSI) entre otras. (Salcedo SGC, 2009).

Estas clasificaciones establecen diferentes grados de calidad del macizo rocoso según parámetros valorativos de las propiedades de la matriz rocosa que lo constituyen así como de las discontinuidades lo que permite establecer valores estimativos en cuanto a la resistencia global del macizo rocoso.En el presente texto se presenta una relación de las Clasificaciones Geomecánicas de las Rocas establecida en la con base en la documentación bibliográfica presentada , sin embargo se han seleccionado para realizar una descripción más detallada las clasificaciones mencionadas anteriormente las cuales se tratarán en el capítulo No. 6 del presente documento.

“Se puede decir que hoy día las clasificaciones geomecánicas son un método de uso generalizado en el proyecto y construcción de túneles, y que gracias a ellas es posible un mejor conocimiento e interpretación de los datos geológicos y geotécnicos en el diseño y excavación de las obras subterráneas. Las clasificaciones Geomecánicas son un método de Ingeniería geológica que permite evaluar el comportamiento geomecánico de los macizos rocosos y de aquí estimar los parámetros geotécnicos de diseño y el tipo de sostenimiento de un túnel. Además de las obras subterráneas, se destacan las aplicaciones a taludes y cimentaciones. Las clasificaciones llevan más de 50 años en uso, pero es a partir de la década de los 70 cuando se extienden internacionalmente”.(González de Vallejo & Ferrer, 2007, pág. 25)

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Tabla 9Clasificación Geomecánica de las Rocas (Salcedo SGC, 2009)

CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS DE LAS ROCAS CLASIFICACIÓN

REFERENCIA

Clasificación de Carga de Roca

Terzaghi, 1946.

Clasificación de Masas Rocosas para Túneles

Lauffer, 1958.

Clasificación de Masas Rocosas para Túneles

Protodyakonoff, 1960

Clasificación y Propiedades Índices de roca Intacta.

Deere& Miller, 1966.

Clasificación de masas rocosas para Túneles basada en RQD

Deere, Peck, Schmidt 1970.

Clasificación Geomecánica de Masas Rocosas Aplicadas a Minería

Laubscher, 1976.

Clasificación de masas para túneles (RSR)

Wickman, Tiedemann&Skinner, 1972.

Clasificación para estimar escarificaciones de materiales

Weaver 1975

Parker,

Monsees&

Clasificación de resistencia de masas rocosas con fines Selby 1980-1982 geomórficos Clasificación práctica de masas Rocosas para taludes

Romana 1985, 1988

Sistema de Clasificación para excavación de materiales naturales

Kirsten 1982.

Clasificación Geomecánica de Masas Rocosas (RMR)

Bieniawski 1973, 1976 y 1984

Clasificación para predecir el tipo de remoción en banqueos y Salcedo 1988 excavaciones para obras viales. Índice de Resistencia Geológica (GSI)

Hoek, Kaiser & Borden 1995, Hoek& Brown 1997, HoekMarinos&Benissi 1998.

Clasificación para estimación de estabilidad en Roca

Haines&Terbrugge, 1991

Clasificación de Masas Rocosas (Q)

Barton, Lien&Lunde 1974, 2002..

Extensión de la Clasificación Bieniawski - Romana para taludes en Perri 1994 masas Rocosas Clasificación Geomecánica para fundaciones de Presas (DRM)

Romana 2003

Factor de Discontinuidad Jf. (Joint Factor)

Ramamurthy 1994, 2001

Clasificación Geoingenieril para rocas y Masas Rocosas

Ramamurthy 2004.

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2.4

31

PROCESOS DE METEORIZACIÓN DEL MATERIAL ROCOSO.

En el presente texto y basado en los conceptos de meteorización(Salcedo SGC, 2009)la cátedra de Mecánica de Rocas de la Universidad Agraria de Colombia se definirá la misma como el proceso de ataque de los agentes atmosféricos a la superficie de las rocas descomponiéndolas y/o desintegrándolas hasta convertirlas progresivamente en suelo (Salcedo, 2009). Por otro lado puede describirse como la desintegración, descomposición o alteracionesfísico químicas que modifican las propiedades del material rocoso, aunque el proceso de meteorización se produce en el macizo, pues este llega a afectar la matriz rocosa. “Estrictamente todas las rocas presentan alteración en mayor o menor grado, pero ocurre que en algunos casos se ha llegado a un estado de equilibrio que evita el avance del proceso de degradación”(Plaza Diez, 2004, pág. 26)

Los procesos de meteorización están controlados por las condiciones climáticas que se describen a continuación: •

Temperatura

•

Humedad

•

Precipitación

•

Régimen de Vientos.

Los materiales en proceso de meteorización se encuentran en una transformación de roca a suelo y poseen características mixtas de las rocas y los suelos dependiendo del grado de meteorización; cuando se presentan estos casos surge el inconveniente de considerarlos rocas o suelos puesto que en los dos casos o se supravaloran sus propiedades o al contrario se infravaloran, sin embargo algunos autores establecen la diferencia entre rocas y suelo según el grado de compactación dl material rocoso y la durabilidad(González de Vallejo, 2002).

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Los procesos de meteorización en materiales rocosos pueden dividirse de acuerdo como se muestra en la Figura 8.

Figura 8 Procesos de Meteorización de Materiales Rocosos Tomado de González de Vallejo, (2002). Modificado por el autor (2014).

PROCESOS DE METEORIZACIÓN

FÍSICA

QUÍMICA

Alteración por cambios de Temperatura

Agente Principal el Agua

BIOLÓGICA

Debida a la acción de los Seres Vivos.

2.4.1 METEORIZACIÓN FÍSICA Estos procesos implican la fracturación mecánica de las rocas, su desintegración o desmenuzamiento pero conservan la identidad original de los minerales (Salcedo, 2009).

Las más importantes se describen en la Tabla 10y están controladas por el clima, en especial la temperatura y la humedad.

LaFigura 9 representa la meteorización Mecánica en una roca mediante crioclastia o gelivación.

Figura 9Meteorización mecánica por efecto del hielo Derechos de Copyright 2005, Pearson Prentice Hall, Inc.

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Este proceso aprovecha la presencia de la fisuración o diaclasado previo de las rocas produciendo el aumento de fracturas en las mismas mediante la acción del hielo.

Tabla 10. Procesos de Meteorización de Origen Físico

PROCESOS DE METEORIZACIÓN DE ORIGEN FÍSICO

Basado (González de Vallejo L. I, 2002). Autor (2014).

FORMACIÓN DEL HIELO

INSOLACIÓN

FORMACIÓN DE SALES

CAPILARIDAD

HIDRATACIÓN

DESCRIPCIÓN El agua alojada en los poros y grietas al bajar la temperatura se convierte en hielo y pudiendo producir fracturas en las rocas.

En climas áridos las diferencias térmicas en periodos cortos de tiempo producen tensiones en las rocas por dilatación y contracción sucesivas que dan lugar a fallas.

La cristalización de sales en los poros y grietas produce la falla y disgregación por expansión de los cristales.

Los minerales permiten la penetración de agua que frente a cambios de temperatura pueden producir fallas estructurales.

Algunos tipos de materiales como las arcillas y los sulfatos debido a sus propiedades aumentan su volumen al sufrir hidratación produciéndose deformaciones importantes que pueden llevar a la fracturación de la roca.

AUTORES

González de Vallejo.

(2002).

“Ingeniería Geológica”.

Madrid: Prentice Hall Plaza Diez. (2004).

“Geología Aplicada a la Ingeniería Civil”.

Madrid.

Universidad Politécnica de Madrid

Algunas deformaciones en rocas obedecen principalmente a la reorientación de sus minerales debido a fuerzas externas perpendiculares a las hojas o láminas de las mismas (Figura 10), la posición de las láminas de los minerales indican la dirección de los esfuerzos que deformaron la roca.

Figura 10 Origen de la Esquistosidad en una Roca Metamórfica por reorientación de los minerales Tomado de (Oxford, 2011)

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34

2.4.2 METEORIZACIÓN QUÍMICA.

Se da en presencia de agua y está controlada por la temperatura, siendo más intensa y rápida en regiones climáticas húmedas que en zonas de clima seco; bajo la acción de estos procesos la roca sufre descomposición y los minerales originales se transforman en otros o en sustancias solubles(Salcedo, 2009). La meteorización se produce en el macizo y lógicamente afecta a la matriz. La presencia de fracturas es determinante en los procesos de alteración. Las acciones de meteorización de origen Químico como las que se relacionan en la Tabla 11dan lugar a la formación de nuevos minerales o compuestos a partir de los existentes(González de Vallejo, 2002).

PROCESOS DE METEORIZACIÓN DE ORIGEN QUÍMICO

Tabla 11Meteorización de Origen Químico.

DISOLUCIÓN

HIDRÓLISIS HIDRATACIÓN

AUTORES DESCRIPCIÓN. Es la descomposición de minerales por acción del agua teniendo como última consecuencia la desintegración del material. Aunque se considera una acción física, la disolución Plaza Diez. (2004).

“Geología Aplicada viene acompañada de procesos o reacciones químicas.

Descomposición de un mineral o compuesto químico por a la Ingeniería Civil”.

Madrid. acción del agua.

Universidad Formación de nuevos minerales o compuestos químicos por la Politécnica de acción del agua.

Madrid

OXIDACIÓN Y Se produce por la fijación o perdida de oxígeno, es la REDUCCIÓN formación de nuevos minerales por combinación con oxígeno.

Las características climáticas de la zona determinaran el tipo de meteorización que se presente; en climas fríos o de alta montaña predominará la meteorización física mientras que en climas tropicales cálidos con abundantes precipitaciones la meteorización química será dominante es por ello que en el caso de países tropicales en cuanto al diseño de obras civiles la meteorización es un factor de gran importancia, debido a que su efecto en poco tiempo (10-20 años) puede disminuir apreciablemente la resistencia al corte de las rocas y por tanto taludes que inicialmente se presentaban estables, se verán afectados por deslizamientos.

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La descomposición de la roca causada por meteorización química produce un efecto muy importante en la reducción de la resistencia del material rocoso puesto que un pequeña elevación del contenido de humedad en la porosidad de las rocas puede causar hasta una disminución del 50% del valor de resistencia del mismo y un poco más en condiciones intensas de meteorización. (González de Vallejo, 2002) En cimentaciones la presencia de rocas alteradas puede implicar mayor excavación, volumen a retirar, incremento en transportes a botadero; dependiendo de la profundidad de la excavación, implementación de refuerzo para el sostenimiento del talud y por consiguiente aumento en el volumen de hormigón a utilizar. En cuanto a obras subterráneas se pueden presentar complicaciones por la presencia de zonas alteradas que impliquen aumento en el refuerzo, revestimientos debido a presencia de agua y retrasos en ejecución de obra, en excavaciones superficiales con el fin de evitar deslizamientos incrementos en costos de obra(Plaza Diez, 2004).

2.4.3 DETERMINACIÓN DEL GRADO DE METEORIZACIÓN EN ROCAS.

Para determinar el grado de meteorización en las rocas se usan algunas referencias como la propuesta por la ISRM 1981 y que se presenta en la

Tabla

12,

donde

se

presentan algunas descripciones y términos cualitativos del proceso de Meteorización, al igual que en la

Tabla 13 con algunas descripciones de reconocimiento en campo de acuerdo al grado de meteorización.

Tabla 12Grado de Meteorización en las Rocas.

I. II. III. GRADO DE METEORIZACIÓN IV. V. VI.

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Fresca Levemente Meteorizada Moderadamente Meteorizada Altamente Meteorizada Completamente Meteorizada Suelo Residual

(ISRM, 1981).

Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas).

36

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Tabla 13Clasificación de Varios de Los Grados de Meteorización e Indicación de Propiedades Ingenieriles.

Tomado (Salcedo SGC, 2009)

GRAD

DESCRIPCIÓN

VI.

SUELO

RECONOCIMIENTO DE CAMPO

PROPIEDADES INGENIERILES

Textura de roca no Inapropiado para importantes reconocible; humus y fundaciones. Taludes inestables cuando la raíces cubierta está destruida.

V.

Textura de la roca aún se reconoce. En granitos el feldespato altera COMPLETAMENTE totalmente a arcilla. No se METEORIZADA puede recuperar núcleos con perforación a rotación.

Puede excavarse con la mano o romperse sin explosivos.

Inadecuado para fundaciones de represas de concreto o grandes estructuras.

Puede ser recomendable para fundaciones de tierra y rellenos. Inestable en cortes de ángulo bajo. Requiere protección contra la erosión.

IV.

Roca débil que se puede romper y desmoronar con las manos. A veces se recuperan núcleos de perforación. Teñido por limonita. Menos del 50% de roca.

Similar al Grado V. Inapropiado para fundaciones de represas de concreto. La presencia errática de colusiones hacen desconfiable fundaciones de grandes estructuras en este tipo de estrato.

ALTAMENTE METEORIZADA

III.

MODERAMENTE METEORIZADA

Ofrece alguna resistencia a la perforación. No se rompe con la mano. A menudo teñido de limonita, 50% a 90% de roca.

II.

LIGERAMENTE METEORIZADA

Débil teñido de limonita.

En granitos se alteran algunos feldespatos más del 90% de roca.

I.

ROCA FRESCA

Puede tener algo de limonita en diaclasas cercanas al Grado II.

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Se excava con dificultad sin explosivos. Se puede romper por medio de bulldozers.

Adecuado para pequeñas fundaciones de estructuras de concreto y como relleno de represas. Puede ser adecuado para rellenos semimpermeables. La estabilidad en cortes depende de las formas de las estructuras, especialmente de las diaclasas.

Requiere de explosivos para excavación.

Apropiado para fundaciones de represas de concreto. Altamente permeable a través de las diaclasas abiertas.

Cuestionable como agregado para concreto.

El teñido indica percolación de agua a lo largo de diaclasas; pedazos individuales puedes perderse por destrucción o esfuerzo del relieve. Puede ser requerido el soporte de excavaciones para túneles.

37

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Adicional a la información anterior la Tabla 14ofrece una relación del tipo meteorización en roca y su reconocimiento en campo de acuerdo a Dearman 1976.

Tabla 14Clasificación de varios de los grados de Meteorización.

Dearman (2009), Tomado de (Salcedo SGC, 2009)

GRADO

DESCRIPCIÓN

RECONOCIMIENTO DE CAMPO

I

FRESCA

No hay señales visibles de meteorización; ocasionalmente débil decoloración en las superficies de discontinuidades mayores.

II

DÉBILMENTE METEORIZADA

III

IV V VI

La decoloración indica meteorización del material de roca y las superficies discontinuas. Todo el material puede ser decolorado por meteorización.

Menos de la mitad de la roca está descompuesta y/o desintegración a MODERADAMENTE suelo. Roa fresca o decolorada está presente como una estructura continua METEORIZADA o en fragmentos Más de la mitad de la roca está descompuesta y/o desintegrada a suelo.

ALTAMENTE Roca fresca o decolorada está presente como una estructura continua o en METEORIZADA fragmentos.

COMPLETAMENTE Todo el material de roca está descompuesto y/o desintegrado a suelo. La METEORIZADA estructura de la masa y la fábrica están aún intactas.

Todo el material rocoso está convertido a suelo. La estructura y la fábrica SUELO RESIDUAL están destruidas. Hay un gran cambio en volumen, pero el suelo no está transportado.

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3

PERMEABILIDAD EN MATERIALES ROCOSOS

La permeabilidad en Macizos Rocosos se divide en dos clases según se muestra en la Figura 11. Es atribuida a la capacidad de la roca o macizo rocoso para transmitir agua a través de su porosidad; huecos o vacíos interconectados, se representa a través del coeficiente de Permeabilidad que se expresa en unidades de velocidad.

Figura 11Tipos de Permeabilidad en Materiales Rocosos Tomado de (Salcedo SGC, 2009). Modificado Por el Autor. (2014).

PRIMARIA

Permeabilidad intergranular, el agua es transmitida a través de poros y microfisuras interconectadas en las rocas

PERMEABILIDAD EN MATERIALES ROCOSOS SECUNDARIA

Tiene lugar cuando el agua fluye a favor de las superficies de discontinuidad del macizo, está fuertemente influenciada por las características del macizo rocoso.

“Por lo general, la permeabilidad de la matriz rocosa es despreciable con respecto a la del macizo rocoso fracturado”.(González de Vallejo L. I, 2002). En macizos rocosos permeables los poros y/o discontinuidades aparecen llenos de agua, el nivel freático de estos suelen adaptarse a la topografía del terreno, aflorando en puntos específicos en el terreno condicionado por cambios litológicos o estructuras geológicas como las fallas.

El flujo de agua en macizos rocosos depende de la abertura de las discontinuidades que a su vez dependen del esfuerzo normal ejercido sobre ellas; el esfuerzo aumenta con la profundidad y a partir de ella dependiendo del nivel, estas aparecen cerradas lo que origina el decrecimiento de la permeabilidad secundaria haciéndola más similar a la primaria.

El agua que se extiende en el terreno procede de la precipitación, una parte cae a los arroyos y ríos, barrancos y la superficie hasta acumularse en los lagos y los mares y otra parte se adentra en el terreno mediante la infiltración.

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39

La permeabilidad puede medirse mediante ensayos “in situ”, determinando mediante éstos el coeficiente de permeabilidad k.

3.1

EFECTOS DE LA PERMEABILIDAD SOBRE MACIZOS ROCOSOS

El agua influye en el comportamiento mecánico del macizo rocoso y en su respuesta ante las fuerzas aplicadas, los efectos más importantes del agua en los macizos rocosos se relacionan a continuación.  Reducción de la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas.  Su papel en la resistencia de las rocas blandas y de los materiales meteorizados es de gran importancia.  Influye en la resistencia del macizo mediante el relleno de las discontinuidades del mismo.  Son caminos preferentes para el flujo de agua las zonas alteradas y meteorizadas, las discontinuidades importantes y las fallas en el macizo.  Produce meteorización física y química tanto en la matriz rocosa como en el macizo rocoso.  Es un agente erosivo.  Produce reacciones químicas que pueden dar lugar a cambios en la composición del agua.

3.2

ENSAYOS DE MEDICIÓN DE LA PERMEABILIDAD EN MACIZOS ROCOSOS

A continuación se realiza una breve descripción de los ensayos de mayor aplicación en la medición de la permeabilidad en macizos rocosos, sin embargo existen otros tipos de ensayos según bibliografía relacionada al final del presente documento.

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3.2.1 Ensayo de Lefranc

Se utiliza para medir el coeficiente de permeabilidad en suelos o semipermeables de tipo granular y en rocas muy fracturadas. Este tipo de ensayos se realiza mediante sondeos, durante una excavación o terminada esta.

Consiste en rellenar de agua el sondeo o la excavación y medir el caudal necesario para mantener el nivel constante o bien medir la velocidad de descenso del nivel de agua, en la Figura 12se muestra un esquema del ensayo.

Figura 12Ensayo de Lefranc.

Tomado de González de Vallejo, (2002).

La medida del caudal de admisión debe realizarse cada 5 minutos, manteniendo el nivel constante en la boca del sondeo durante 45 minutos. Si la admisión es muy alta, debe medirse cada minuto durante los 20 primeros minutos y después de cada 5 minutos hasta llegar a los 45 minutos.(González de Vallejo L. I, 2002) Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil

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Este ensayo requiere que, antes de medir tiempos y caudales se llene la excavación o el sondeo de agua observando que el aire sea expulsado en su totalidad, estabilizando el nivel y la velocidad de descenso, lo que indica que se ha alcanzado el régimen permanente, para lo que es necesario determinar la cota del nivel freático.

El coeficiente de permeabilidad k, está definido por la expresión:

(Ecu.1.)

Donde Q es el caudal admitido (m 3/s), h es la altura en metros del agua sobre el nivel piezométrico inicial y C es el coeficiente de forma del sondeo definido por la expresión: [ ⁄

⁄

⁄

]

(Ecu. 2.)

Donde L corresponde a la longitud del tramo ensayado (m), r es el radio del sondeo (m) y H es la distancia del punto medio de la zona ensayada al nivel freático (m).

La longitud del tramo a ensayar queda siempre definida entre el final de la tubería de revestimiento del sondeo y el fondo del mismo(González de Vallejo, 2002).

3.2.2 Ensayo de Lugeon

Este ensayo permite calcular semi cuantitativamente la permeabilidad de los macizos rocosos en cualquier tipo de litología y estado de fracturación. El ensayo consiste en introducir agua a presión constante (10 kp/cm 2) en el sondeo, midiendo las admisiones durante un período de 10 minutos.Normalmente se realiza en tramos de 5 m de sondeo, aislando el tramo de ensayo del resto del sondeo mediante dos obturadores, en este caso el ensayo también se conoce como Packer test. En la Figura 13se muestra un esquema del ensayo de Lugeon y los obturadores para la realización del mismo.

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Figura 13Ensayo de Lugeon Obturador Simple Tomado de González de Vallejo L.I. (2002).

La presión se aplica en escalones sucesivos de carga y descarga de 0, 1, 2, 5 y 10 kp/cm2 respectivamente, manteniendo la presión en cada escalón durante 10 minutos.

Siempre deben alcanzarse los 10 kp/cm2, excepto en rocas blandas en las que se puede producir fracturación hidráulica antes de llegar a dicha presión.

La unidad de medida del ensayo es el Lugeon que corresponde a una absorción de agua de 1 litro por metro de sondeo y por minuto, realizando el ensayo a 10 atmósferas de presión durante 10 minutos.

Una unidad Lugeon equivale a un coeficiente de permeabilidad de 10 -5 cm/s (U.L. =1l/m x min = 10-5 cm/s). Los resultados de esta prueba se presentan en función de la presión ensayada.

En la Tabla 15 se presenta la clasificación del tipo de macizos según la permeabilidad y el ensayo de Lugeon, (González de Vallejo L. I, 2002) Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil

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Tabla 15Clasificación de Macizos Rocosos en Función de la Permeabilidad (González de Vallejo L. I, 2002)

CLASIFICACIÓN DE MACISOS ROCOSOS EN FUNCIÓN DE LA PERMEABILIDAD Tipo de Macizo Muy impermeable Prácticamente impermeable Permeable Muy Permeable

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Unidades Lugeon 0-1 1-3 >3 1,5-6 >3 >6

Presión (kp/cm2) 10 10 10 5 10 5

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TENSIONES Y DEFORMACIONES EN LAS ROCAS

Las rocas están definidas por su resistencia y deformabilidad, diferente de otros materiales como el acero o el hormigón las rocas presentan defectos estructurales debido a la variación de su composición mineralógica, en macizos rocosos además se presentan discontinuidades que en conjunto “reflejan en unas propiedades físicas y mecánicas heterogéneas, discontinuas y anisótropas”(González de Vallejo L. I, 2002) la respuesta mecánica del macizo rocoso ante la acción de fuerzas.

Los conceptos presentados en este y el siguiente capítulo tienen su base conceptual fundamentada en el documento de “Ingeniería Geológica”(González de Vallejo L. I, 2002), y “Curso de Geología y Geomorfología” de (Salcedo SGC, 2009) y los conceptos presentados en la cátedra de Mecánica de Rocas de la Universidad Agraria.

4.1

TENSIONES Y DEFORMACIONES EN LAS ROCAS.

La acción de fuerzas actuantes sobre las rocas, modificación de fuerzas existentes o distribución de fuerzas ya existentes en el macizo y la relación de procesos tanto exógenos como endógenos provocan efectos en las rocas comodesplazamientos, deformaciones y cambios en el estado tensionalque a su vez se resume en la presentación de cambios en el estado mecánico del macizo.

El Estado Mecánico de un Macizo está caracterizado por: 

Fuerzas que actúan entre y sobre las partes del sistema.



Posición de cada una de sus partes, definida por sus coordenadas.



Velocidad con que las partes cambian de posición.

El estado tensional es consecuencia de las fuerzas que actúan sobre él por lo tanto al variar las fuerzas este varía.

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Las fuerzas son las principales responsables del estado y comportamiento mecánico de un sistema, (Figura14). Cuando se habla de fuerzas actuando sobre un punto se denomina carga y si se considera la fuerza aplicada sobre un área entonces hablamos de esfuerzo.

Figura14Deformaciones en Material Rocoso.

(Lillo, 2013)

Sobre un cuerpo actúan dos tipos de fuerzas, la fuerza gravitatoria o volumétrica de la que se asume un valor constante g=980 cm/s2 y las fuerzas superficiales que pueden ser compresivas y distensivas o traccionalesejercidas sobre el cuerpo por los materiales que lo rodean.

El esfuerzo () puede definirse como una reacción interna de un cuerpo o área específica (A) a la acción de una fuerza (F) o conjunto de Fuerzas y es una cantidad que no se puede medir directamente. ⁄

Ecu. 3.

La fuerza (F) se mide en unidades del sistema SI o CGS, como newton (N), dina, kilopondio (kp), toneladas fuerza (t); las unidades del esfuerzo son el kp/cm 2, kN/m2 o kPa, MN/m2 o MPa, etc.

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4.2

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RESISTENCIA Y FALLA Los esfuerzos que se generan bajo la aplicación de fuerzas producen deformaciones

y fallas en las rocas dependiendo de la resistencia y otras condiciones extrínsecas al material rocoso.

Como consecuencia de la deformación el cuerpo indica cambio en la forma o configuración correspondiente a los desplazamientos que sufre la roca con la acción de la carga. Debido a que se dificulta la medición de desplazamientos pequeños, la deformación  se expresa como la comparación del estado deformado respecto al inicial.

La principal diferencia entre una deformación y el esfuerzo se debe a que mientras el esfuerzo indica una condición de la roca en un instante, la deformación compara las condiciones en dos instantes(González de Vallejo, 2002).

La resistencia es entonces el esfuerzo que puede soportar la roca para ciertas condiciones de deformación, el esfuerzo máximo que puede soportar una roca se denomina Resistencia Pico (p) el cual se produce para una deformación denominada deformación de pico.

Por otro lado, la resistencia residual (r), corresponde al valor al que cae la resistencia de algunas rocas cuando se presentan deformaciones elevadas las cuales se producen después de sobrepasar la resistencia pico. Para obras de ingeniería es de gran importancia poder establecer la resistencia de las rocas y por ende de macizos rocosos en su conjunto sin embargo, la resistencia no es un valor íntrinseco de las rocas sino que depende de otros factores como la magnitud de los esfuerzos, la presencia de agua y los ciclos de carga y descarga sobre el material por ende la importancia de conocer el valor y rangos de la resistencia ante determinadas condiciones.

Ante determinadas cargas los materiales pueden verse afectados por deformaciones inadmisibles que no pueden soportar por lo que se produce la falla del material. El término Falla hace referencia al fenómeno que se produce cuando la roca no puede soportar las fuerzas aplicadas obteniendo un valor de esfuerzo máximo correspondiente a la resistencia Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil

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pico del material, la falla puede responder a diferentes modelos: Falla Frágil (Instantánea y Violenta) o Falla Dúctil (Progresiva)(González de Vallejo, 2002). Sin embargo ello no significa que la falla coincida siempre con el inicio de la generación de los planos de Falla de la Roca.

La falla corresponde a la formación de planos de separación del material rocosos, la perdida de fuerzas cohesivas del mismo y por ende el rompimiento de enlaces de las partículas para crear nuevas superficies.

4.3

MECANISMOS DE FALLA

El análisis de falla en las rocas es más complejo que en el de suelos, Tabla 16se realiza una breve descripción de los mecanismos de falla en Rocas. (González de Vallejo L. I, 2002).

Tabla 16Mecanismos de Falla en Macizos rocosos.

Basado (González de Vallejo L. I, 2002)Modificado por Autor (2014)

MECANISMOS DE FALLA FALLA POR ESFUERZO CORTANTE FALLA POR COMPRESIÓN FALLA POR FLEXIÓN

DESCRIPCIÓN Ocurre cuando una determinada superficie de la roca está sometida a esfuerzos de corte suficiente altos como para que una cara de la superficie se deslice con respecto a la otra.

También denominada Falla de tipo Planar.

Ocurre cuando la roca sufre esfuerzos a compresión.

Microscópicamente se producen grietas de tracción y planos de corte que progresan en el interior de la roca.

Se produce cuando una sección de roca está sometida a tensiones normales variables.

FALLA POR TRACCIÓN

Se produce cuando la disposición y/o estructura del macizo hace que una cierta sección de la roca esté sometida a una tracción pura o casi pura. Son difíciles de Producirse.

FALLA POR COLAPSO

Se produce por colapso mecánico bajo condiciones de compresión isotrópica, es decir, cuando el material recibe compresiones en todas las direcciones del espacio.

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EJEMPLO Techos de Galerías sobre hastiales rígidos.

Pilares de Soporte en una excavación Minera.

Dinteles de Galerías Subterráneas Generación de estado traccional en algunos tramos de la superficie de falla de un talud.

Se produce en rocas porosas como las volcánicas de baja densidad.

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En las Figuras 15, 16 y 17 se muestran algunos ejemplos de los mecanismos de falla presentados en la Tabla 16así como los tipos de fallas más comunes en macizos.

Figura 15Falla por Flexión de la Clave de una Galería.

Tomado (González de Vallejo L. I, 2002)

Figura 16Falla por Esfuerzo Cortante de un Talud.

Desarrollado por Autor (2014).

Figura 17Fallas más comunes en afloramientos, a. Falla Planar, b. Falla en cuña y c. Falla por Volcamiento (Plaza Diez, 2004)

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La relación entre los esfuerzos aplicados al material rocoso y las deformaciones que sufre el mismo define el comportamiento esfuerzo-deformación que hace referencia a la variación de la resistencia del material de acuerdo a diferentes niveles de deformación.

4.4

RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACIÓN EN LAS ROCAS.

La relación Tensión-Deformación se realiza a partir de Ensayos de aplicación de fuerzas compresivas que registran curvas esfuerzo-deformación las cuales difieren de acuerdo al tipo de roca lo que permite la obtención de diferentes modelos de curva.

Cuando la aplicación de la carga lleva a superar la resistencia pico pude presentarse:  Disminución de la Resistencia de la Roca drásticamente, incluso hasta alcanzar un valor cercano a 0. Se presenta en rocas duras con alta resistencia como el que se presenta en el vidrio.  La resistencia de la roca decrece hasta un cierto valor después de haberse alcanzado deformaciones importantes, como el que se presenta en materiales arcillosos sobre consolidados.  La deformación sigue aumentando sin que se pierda la resistencia, es decir se mantiene constante, lo que representa un comportamiento dúctil que se presenta en materiales blandos como las sales.

Cuando se tiene un comportamiento dúctil la resistencia de pico (p)y la residual (r) son iguales, en el comportamiento frágil se presentan en cambio diferencias importantes entre la resistencia de pico y la residual, al realizarse el análisis en el laboratorio mediante la aplicación gradual de una carga axial el registro de toma de datos permite representar las curvas que se muestran en la Figura 18correspondiente a las gráficas Esfuerzo-Deformación.

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SERIE GUÍAS DE CLASE MECÁNICA DE ROCAS Figura 18Comportamientos en las rocas: curvas esfuerzo deformación Basado en González de Vallejo (2002), desarrollado por Autor (2014).

El comportamiento Lineal o Elástico que se presenta en la rama ascendente de la curva antes de alcanzar la resistencia pico representa una deformación proporcional al esfuerzo que cumple la siguiente relación: ⁄

(Ecu.4.)

Donde E corresponde a la constante de proporcionalidad conocida como módulo de Young o módulo de Elasticidad,  es el esfuerzo, y ax la deformación axial.

Otra constante que define el comportamiento elástico del material es el Coeficiente de Poisson: ⁄

(Ecu. 5.)

Donde t corresponde a la deformación transversal de la muestra de roca ensayada.

Estas constantes se obtienen a partir del ensayo de laboratorio de resistencia uniaxial. La inflexión representada en la gráfica corresponde a momentos en los que las rocas ya no pueden mantener el comportamiento elástico y empiezan a sufrir deformaciones dúctiles o plásticas y se denomina límite de Elasticidad que se denota como r, “en rocas frágiles los valores de r y p están muy próximos o coinciden” a diferencia de rocas con comportamiento dúctil.

Cuando se supera el límite de elasticidad, las deformaciones en la roca no se recuperan aunque la carga se retire completamente, por lo tanto es importante conocer el Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil

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valor de la resistencia y las deformaciones asociadas a los esfuerzos que se producen sobre los materiales puesto que un pequeño incremento en la carga puede dar comienzo a la falladelo material o incluso en casos donde la carga permanezca constante factores como la meteorización puede ocasionar la pérdida definitiva de la resistencia.

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DISCONTINUIDADES EN MACIZOS ROCOSOS

Como se mencionó en el primer capítulo de esta cartilla, se puede definir como discontinuidad a “cualquiera de los planos que separan los bloques de la matriz rocosa de un macizo rocoso, pueden ser de origen sedimentario como los planos de estratificación o laminación, diagenético5o tectónico como las diaclasas o las fallas”(González de Vallejo, 2002).

Las discontinuidades proporcionan un carácter discontinuo y anisótropo a los macizos haciéndolos débiles y deformes lo que provoca una gran dificultad para la evaluación de su comportamiento mecánico frente a posibles obras de ingeniería.(González de Vallejo L. I, 2002)

5.1

TIPOS DE DISCONTINUIDADES:

Las discontinuidades se pueden agrupar es sistemáticas, cuando aparecen en familias y singulares, cuando aparece un único plano que atraviesa el macizo rocoso. A continuación se realiza una breve descripción de los diferentes tipos de Discontinuidad.

(González de Vallejo L. I, 2002).  DIACLASAS O JUNTAS: Son los planos de discontinuidad más frecuentes en los macizos rocosos corresponden a una fractura en las rocas que no va acompañada de deslizamiento de los bloques o ha sido muy pequeño, es una mínima separación transversal. Afectan a cualquier tipo de roca. En la Figura19se muestra un ejemplo de presencia de diaclasas en un macizo y en la Tabla 17 se presenta una clasificación de diaclasas de acuerdo a su origen.(Plaza Diez, 2004)

5

Diagénesis: proceso de formación de una roca sedimentaria compacta a partir de sedimentos sueltos que sufren un proceso

de compactación y sedimentación. http://es.wikipedia.org/wiki/Diag%C3%A9nesis .

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Figura19 Diaclasas persistentes en afloramiento.

(González de Vallejo L. I, 2002)

Tabla 17 Tipos de Diaclasas o Juntas de acuerdo a su Origen Tomado de (González de Vallejo L. I, 2002)

TIPOS

DESCRIPCIÓN

Asociadas a plegamientos y a fallas, se disponen paralelamente a la DE ORIGEN superficie de falla y con una frecuencia que disminuye al aumentar la TECTÓNICO distancia a la misma Formadas por contracción durante o después del emplazamiento del DIACLASAS EN ROCAS cuerpo ígneo. La orientación de una diaclasa se describe mediante dos O JUNTAS ÍGNEAS parámetros, Dirección y Buzamiento.

DE RELAJACIÓN

Se deben a una reducción de la carga litostática. Su disposición en cuanto a la superficie topográfica es subparalela y la frecuencia disminuye con la profundidad.

 PLANOS DE ESTRATIFICACIÓN: Corresponden a las superficies que separan los estratos en las rocas sedimentarias, su espaciado puede oscilar entre pocos centímetros y varios metros.

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Figura 20 Planos de Estratificación Tomado de (Fernández Fernández, 2009)

 SUPERFICIES DE LAMINACIÓN: Correspondiente a los planos que aparecen en las rocas sedimentarias, correspondiendo a los planos que limitan las láminas o los niveles megascópicos más pequeños de una secuencia sedimentarias.

 FALLAS: Se establece como una discontinuidad singular que se forma por fractura en las rocas de la corteza terrestre a lo largo de la cual hubo movimiento de uno de los lados respecto del otro. En laTabla 21se presenta un ejemplo de Falla muy común en macizos rocosos.

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Figura 21 Falla Normal en Afloración.

Tomado de (Fernández Fernández, 2009)

 PLANOS DE ESQUISTOSIDAD: Son de origen tectónico aparecen en rocas que han sufrido una deformación importante, se desarrollan mejor en medios donde el grano de roca es más pequeña y se presentan con más frecuencia.(González de Vallejo L. I, 2002)  SUPERFICIES DE CONTACTO LITOLÓGICO: Son planos singulares de separación entre diferentes litologías de un macizo rocoso. Tienen menor importancia en rocas sedimentarias, sin embargo, en rocas ígneas como diques y filonianas son de gran importancia.(González de Vallejo L. I, 2002).

5.2

CARACTERISTICAS DE LAS DISCONTINUIDADES:

Algunas características de las discontinuidades que determinan el comportamiento de un macizo rocoso natural se describen a continuación

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Figura 22 Principales Características de las Discontinuidades.

Tomado de (Salcedo SGC, 2009). Modificado por el Autor (2014).

ESPESOR RELLENO

CONDICIONES DE LA PARED, RUGOSIDAD, RELLENO Y ALTERACIÓN.

Y

ONDULACIÓN

 ORIENTACIÓN

La orientación de una discontinuidad puede medirse mediante el uso de una brújula con clinómetro, tomando los valores correspondientes al Rumbo y Buzamiento.

Figura 23 Orientación de las Discontinuidades.

(Salcedo SGC, 2009)

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La dirección de Buzamiento se encuentra midiendo el ángulo que forma la intersección del plano de la discontinuidad con un plano horizontal, midiendo el mismo desde el norte en el sentido de las agujas del reloj. También se utiliza el término de Rumbo que se define como el ángulo que forma la recta de máxima pendiente del plano de la discontinuidad con una horizontal perpendicular al rumbo.  ESPACIAMIENTO:

Mide el tamaño de los bloques de la roca, la medida o frecuencia de fracturas presentes en el macizo rocoso es inversamente proporcional a la cohesión global del mismo. Una roca muy fracturada puede presentar diferentes tipos de falla y variar de una a otra, por otro lado esta característica tiene gran influencia en la permeabilidad del macizo.

Figura 24 Representación del Espaciamiento de Discontinuidades.

(Salcedo SGC, 2009)

Cuando se trata de estudiar macizos rocosos con fines de ingeniería se hace necesario medir el espaciamiento, la medición se realiza con cinta métrica en sentido perpendicular al sistema de discontinuidades a ser medido y se registran todas las discontinuidades a lo largo de una longitud mínima de 3 metros según recomendación del profesor Salcedo, a menos que el espesor de la masa rocosa sea Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil

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menor, sin embargo para mejores resultados es recomendable que la longitud de muestreo sea mayor que 10 veces el espaciamiento medido.

Figura 25 Representación de una diaclasa son Separación de cada 2 m.

(Salcedo SGC, 2009)

Del espaciamiento de discontinuidades surge el termino de Frecuencia que representa la cantidad de discontinuidades por cada metro de afloramiento, por ejemplo para diaclasas con un espaciamiento de cada dos metros se presenta una frecuencia de 0.5:1 como se muestra en laFigura 25.

Según la ISRM o Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas la clasificación de macizos rocosos respecto al espaciado de Juntas se realiza de acuerdo a laTabla 18.

Tabla 18 Clasificación de Macizos Rocosos de acuerdo al espaciamiento entre discontinuidades.

ISRM (1981). Tomado de(Salcedo SGC, 2009)

DESCRIPCIÓN

ESPACIEMIENTO

CONDICIÓN DEL MACIZO

>2m

Sólido

SEPARADAS

0,6 - 2m

Masivo

MED. SEPARADAS

0,2-0,6m

Con Bloques / Estratos

0,06-0,2 m

Fracturado

>0,06m

Muy Fracturado

MUY SEPARADAS

PRÓXIMOS MUY PRÓXIMOS

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 PERSISTENCIA

Muestra la extensión areal o el tamaño de la discontinuidad, puede ser cuantificada en forma muy aproximada observando las longitudes de las trazas expuestas en la superficie. Es considerado uno de los parámetros de mayor importancia pero uno de los más difíciles de cuantificar; la terminología normalmente utilizada se muestra en la Tabla 19.

Tabla 19 Terminología Utilizada para medir la Persistencia y sus respectivos valores.

PERSISTENCIA Muy Baja Persistencia

<1m

Baja Persistencia

1-3m

Persistencia Media

3-10m

Alta Persistencia

10-20m

Muy Alta Persistencia.

>20m (Salcedo SGC, 2009)

La persistencia cumple un rol importante en el mecanismo de falla de los macizos rocosos, según la superficie la falla puede ser planar o escalonada como se muestra en la Figura 26.

Figura 26 Ejemplo de Diaclasa Escalonada (Salcedo SGC, 2009)

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Durante la caracterización de masas rocosas es importante obtener la información de campo referente a los extremos de las discontinuidades de acuerdo a los siguientes parámetros:  Fuera del Afloramiento (X)  En roca, dentro del afloramiento (r).  Contra otra discontinuidad (d).

En la Figura 27 se muestra el ejemplo de dos discontinuidades, la primera correspondiente a una longitud de 7 metros de con ambos extremos fuera del afloramiento y la segunda con 5 metros de longitud y ambos extremos terminados contra otra discontinuidad.

Figura 27 Discontinuidad de 7m con ambos extremos fuera del afloramiento.

(Salcedo SGC, 2009)

 ONDULACIÓN Las rugosidades de la pared de una discontinuidad afectan las caracteristicas de movimiento o la resistencia al corte, las rugosidades mayores o de primera orden se denominana Ondulaciones y se considera que tienen una dimensiòn tal que es poco probable que sean cizalladas, son ondulaciones en un plano, se considera que la ondulaciòn tienen influencia en la direcciòn del desplazamiento de corte.

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En términos generales, la pared de la discontinuidad puede ser caracterizada por la ondulación que causa dilatación durante el desplazamiento.  RUGOSIDAD Son rugosidades de segundo orden, también denominandas asperezasy son suficientemente pequeñas para ser ciazalladas durante el movimiento a lo largo del plano de discontinuidad de la pared de una discontinuidad. A mayor rugosidad mayor es su resistencia puesto que la rugosidad determina su resistencia al corte.(González de Vallejo, 2002). La rugosidad pude ser cuantificada mediante varios métodos, entre ellos los perfiles de Rugosidad que se muestran en la Figura 28, discos con brujula, ensayos in-situ o prácticas sencillas como el uso del Perfilómetro que se presenta en la Figura 29.

Figura 28 Perfiles de Rugosidad para discontinuidades.

(González de Vallejo L. I, 2002)

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Figura 29 Calificación de la Rugosidad de la pared del plano de discontinuidad mediante Perfilómetro.

Tomado de (Montalar Yago, 2009)

 ABERTURA: Corresponde a la distancia perpendicular que separa las paredes de una discontinuidad abierta, La sociedad Internacionaol de Mecánica de Rocas limita el término Abertura a discontinuidades abiertas donde el espacio es aire o agua y cuando el espacio esta relleno se utiliza el término Ancho.

En la Tabla 20 se presenta una descripción de la abertura de las discontinuidades.

Tabla 20 Descripción de la Abertura en Discontinuidades.

(González de Vallejo L. I, 2002)

ABERTURA Menor de 0.1mm 0.1-0.25mm o.25-0.5mm 0.5-2.5mm 2.5 - 10mm 10mm 1-10cm 1-100cm Mayor de 1m

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DESCRIPCIÓN Muy Cerrada Cerrada Parcialmente Cerrada Abierta Moderadamente Ancha Ancha Muy Ancha Extremadamente Ancha Cavernosa

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La Figura 30 muestra un ejemplo de abertura con relleno en una arenisca.

Figura 30 Abertura en Diaclasa de 2cm con relleno Uniagraria (2013)

 RELLENO: Se refiere al material que se encuentra separando las paredes adyacentes de una discontinuidad que podría ser calcita, cuarzo, clorita entre otros. La distancia perpendicular entre las paredes se denomina Ancho, los datos en campo deben tener en cuenta el tipo de material de relleno, tamaño de la partícula y grado de meteorización.

En la Figura 31se muestra el material de relleno de una discontinuidad constituido por óxidos de hierro.

Figura 31 Discontinuidades con material de relleno de óxido de Hierro.

(Salcedo SGC, 2009)

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 NÚMERO DE FAMILIAS (SETS):

El comportamiento de la masa rocosa es dominado por el número de familias de discontinuidades que se intercepten entre sí. La Figura 32 representa 3 grupos de familias de acuerdo a su orientación, sin embargo no significa que no puedan presentarse más de tres grupos de familias.

Figura 32 Representación de Sets en un Macizo Rocoso.

(Salcedo SGC, 2009)

El número de sets determina la extensión en la cual la masa rocosa puede deformarse, a la vez estos pueden variar dependiendo del grado de fracturación del mismo.  RESISTENCIA DE LA PARED DE LA DISCONTINUIDAD:

Se puede estimar mediante tablas de identificación publicadas o mediante pruebas con el martillo de Shcmidt o el ensayo de carga puntual.

En la Tabla 21 se muestra la clasificación de las rocas de acuerdo a la resistencia de la pared, así como su identificación basada en pruebas de campo según la ISRM, (1981).

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Tabla 21 Clasificación de Rocas según la resistencia de la Pared de las discontinuidades.

(Salcedo SGC, 2009)

GRADO

R0

DESCRIPCIÓN

IDENTIFICACIÓN EN CAMPO

Roca Extremadamente Rallada por la Uña del Pulgar Débil

DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE (MPa).

0.25 - 1

R1

Roca muy Débil

Se disgrega por golpes fuertes de la punta de la piqueta; puede ser desconchada por una navaja.

1.0 - 5.0

R2

Roca Débil

Puede ser desconchada por una navaja con dificultades.

5.0 - 25

R3

Roca Medianamente Resistente

No puede ser rayada o desconchada por navaja, la muestra puede ser fracturada por un golpe fuerte de la punta de la piqueta.

25 - 50

R4

Roca Fuerte

La muestra requiere más de un golpe de la piqueta para fracturarla

50 - 100

R5

Roca Muy Fuerte

La muestra requiere varios golpes de la piqueta para fracturarla a

100 - 250

R6

5.3

Roca La muestra puede solamente ser Extremadamente astillada por la piqueta resistente

>250

RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD DE MACIZOS ROCOSOS. “La resistencia de los macizos rocosos es función de la resistencia de la matriz

rocosa y de las discontinuidades, siendo ambas extremadamente variables” (González de Vallejo, 2002). El estudio de macizos rocosos se hace complejo debido a la presencia de zonas tectonizadas, alteradas o de diferente composición litológica que implica zonas de debilidad y presencia de anisotropía con diferentes comportamientos y diferentes características resistentes.

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Figura 33 Transición entre la Matriz Rocosa y el Macizo Rocosos Intensamente Fracturado Tomado de (González de Vallejo L. I, 2002). Modificado por el Autor (2014).

Una Discontinuidad

Matriz Rocosa

Dos Discontinuidades

Macizo Rocoso

Varias Discontinuidades

En la Figura 33 se muestra la transición existente entre la matriz rocosa y un macizo rocoso intensamente Fracturado.

La resistencia del macizo rocoso está determinada por su comportamiento y propiedades resistentes que a vez quedarán definidas por:  La resistencia de la matriz rocosa.  La resistencia al corte de una familia de discontinuidades.  La resistencia al corte de 2 ó 3 familias de discontinuidades (Siempre que sean representativas en el macizo)  La resistencia global de un sistema de bloques rocosos con comportamiento isótropo.

En cuanto a la determinación de la resistencia de la matriz rocosa o de una discontinuidad se puede realizar en el laboratorio mientras que debido a las dimensiones y Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil

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67

condiciones naturales del macizo rocoso su resistencia debe estimarse por métodos indirectos ya sean:  Métodos empíricos basados en experiencias y ensayos de laboratorio.  Métodos indirectos basados en índices de calidad (clasificaciones Geomecánicas)  Modelizaciones Geométricas y análisis a posterior  Modelaciones Físicas

Por otro lado se encuentra los índices de Calidad que se han definido mediante clasificaciones geomecánicas que permiten estimar la resistencia de forma aproximada del macizo rocoso que se tratarán en el capítulo 6.

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6

6.1

PARÁMETROS

CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS

PARA

DETERMINACIÓN

DE

CLASIFICACIONES

GEOMECÁNICAS

Las clasificaciones geomecánicas permiten definir el comportamiento geomecánico a partir de las propiedades de la matriz rocosa y el macizo con el fin de determinar su comportamiento ante diferentes obras civiles.

Las clasificaciones de los macizos rocosos dependen de las propiedades que se indican a continuación:  Resistencia del Material Rocoso. 

Índice RQD6

 Espaciado de las discontinuidades  Orientación de las discontinuidades  Condiciones de las discontinuidades  Estructuras Geológicas y Fallas  Filtraciones y presencia de agua  Estado de Esfuerzos.

Las clasificaciones geomecánicas más utilizadas son las correspondientes a la RMR y Q de Barton. (González de Vallejo L. I, 2002). La primera empleada tanto para la caracterización de macizos rocosos y sus propiedades como para su aplicación en túneles.

Sin embargo en el presente capitulo se describirán otras clasificaciones geomecánicas como la de Terzaghi, Deere, Hoek y Brown y Romana.

6

Rock QualityDesignation, índice de calidad de la Roca Propuesto por Deere.

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6.1.1 CLASIFICACIÓN TERZAGHI

Karl Terzaghi, considerado como el padre de la mecánica de rocas fue el primero en presentar una clasificación de masas rocosas, la clasificación Terzaghi tiene su nacimiento en el año de 1946, desarrollada a partir de experiencias en túneles ferrocarriles con cerchas de acero, “basada únicamente en el tipo de terreno, a partir de la anchura y la altura del túnel” (Montalar Yago, 2009). Terzaghi define siete grupos de roca que se relacionan en laTabla 22.

La clasificación de Terzaghi fue fundamentalmente utilizada en túneles, para lo cual desarrolló ecuaciones que permitieron estimar la carga de rocas en túneles.

Tabla 22 Clasificaciones de Terzaghi para masas rocosas.

(Salcedo SGC, 2009)

CLASIFICACIONES DE TERZAGHI PARA MASAS ROCOSAS (1946) ROCA

DESCRIPCIÓN. No tiene discontinuidades ni fisuras. Por lo tanto si se fractura lo hace a través de roca sólida. En túneles donde implementa la voladura, varios Roca Intacta (Intac Rock) fragmentos de roca pueden caer del Techo varias horas o días después de ello. Este efecto se conoce como condición de spalling.

Son estratos individuales con poca o ninguna resistencia a la separación a lo Roca Estratificada: (Stratified largo de las fronteras de los estratos. El estrato puede o no ser debilitado por Rock) diaclasas transversales Contiene diaclasas y fisuras, pero los bloques entre diaclasas están Roca Moderadamente localmente juntos e íntimamente tan trabados que las paredes verticales no Diaclasada: requieren soporte lateral. En rocas de este tipo puede ocurrir spelling y (ModeratelyJointed Rock) popping.

Roca en Forma de Bloques: Roca químicamente intacta o fragmentos de roca casi intactos que están (Block and Seamy) totalmente separados entre ellos e imperfectamente trabados Roca Triturada: (Crushed),

Triturada pero químicamente intacta. La mayoría de los fragmentos son tan pequeños como granos de arena fina y no se ha originado recementación.

Roca Fluyente: (Squeezing)

Del tipo de roca que avanza hacia el túnel sin aumento de volumen perceptible. Un pre-requisito para este proceso, es un alto porcentaje de partículas microscópicas y submicroscópicas de minerales micáceos o minerales de arcilla con baja capacidad de expansión.

Roca Expansiva: (Swelling)

Avanza principalmente por expansión, la capacidad de hinchamiento está limitada a aquellas rocas que contienen minerales de arcilla tales como montmorillonita, con una alta capacidad de expansión

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70

6.1.2 RQD – DEERE: Este índice RQD propuesto por DEERE en 1964 cuyo significado es: “Rock QualityDesignation”, establece un valor cuantitativo de la resistencia del macizo basado en una modificación del porcentaje de recuperación de núcleos de roca (Salcedo, 2009).

Se obtiene con ayuda de ensayos de laboratorio basados en la toma de muestras de material rocoso, cuyos núcleos deben tener un diámetro mínimo de 50mm y porcentajes de trozos de testigos mayores a 10 cm recuperados en un sondeo.

Con el fin de obtener mejores resultados en los ensayos se sugiere que el valor de RQD sea determinado para longitudes variables en lugar de fijas, en este sentido se puede determinar en capas individuales y zonas de debilidad. La estimación del índice RQD de la roca a partir de testigos de sondeo se halla bajo la siguiente ecuación: ∑

Cuando no se dispone de núcleos de perforación y se debe hallar el índice de clasificación de la roca a partir de datos del afloramiento, se puede estimar a partir de la relación de Palmstrom, (2005); donde Jv obedece a la suma de discontinuidades por unidad de longitud o frecuencia de las discontinuidades (Ramirez&Oyanguren, 2007) y para valores de Jv ≥4.5 el valor de RQD se determinará mediante la Ecuación No. 7.

De acuerdo al valor de porcentaje obtenido Deere clasifica los macizos rocosos de acuerdo a como se muestra en la Tabla 23.

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Tabla 23 Clasificación de Rocas según Índice RQD de DEERE. (Salcedo SGC, 2009)

CLASIFICACIÓN DE LA ROCA SEGÚN RQD RQD %

CALIDAD

<25

Muy mala

25-50

Mala

50-75

Media

75-90

Buena

90-100

Muy buena

6.1.3 CLASIFICACIÓN BIENIAWSKI (RMR)

Esta clasificación fue desarrollada porBieniawski en 1973, a partir de datos obtenidos en cuarenta y cinco túneles (González de Vallejo, 2002) con actualizaciones en 1979 y 1989 realizadas por el mismo autor. Es un sistema de clasificación de macizos rocosos que relaciona los índices de calidad con parámetros de diseño y sostenimiento. La clasificación RMR de Bieniawski tiene en cuenta los parámetros que se relacionan a continuación:

1. Resistencia Uniaxial de la Matriz Rocosa 2. Grado de Fracturación en términos del RQD 3. Espaciado de las discontinuidades 4. Condiciones de las Discontinuidades, en las que se debe considerar los siguientes parámetros:  Abertura de las caras de la discontinuidad  Continuidad o persistencia de la Discontinuidad  Rugosidad  Alteración de la Discontinuidad  Relleno de la discontinuidad 5. Condiciones Hidrogeológicas 6. Orientación de las discontinuidades con respecto a la excavación.

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La incidencia de estos parámetros en el macizo rocoso es expresada por medio del índice de calidad RMR; Rock Mass Rating el cual varía de 0 a 100. Básicamente, el concepto del índice RMR es la asignación de valoraciones o puntuaciones a diferentes propiedades del macizo rocoso dividiéndolo en zonas o tramos más o menos uniformes y la sumatoria final es la que se define como índice RMR.

Al establecerse las zonas o tramos homogéneos del macizo rocosos se empieza a evaluar los parámetros establecidos por Bieniawski, empezando por:

1. La Resistencia de la roca sana que se puede realizar mediante ensayo de carga puntual y ensayo de compresión simple para cuyos valores obtenidos se establecerá un puntaje según Bieniawski que variará entre 0 y 15.

2. El índice RQD sobre la clasificación Deere que se describió anteriormente en el apartado 6.1.2.

3. El espaciado de las Juntas que corresponde a la distancia media entre los planos de discontinuidad de cada familia y que tiene gran influencia en cuanto a la resistencia a compresión simple del material rocoso, en la Tabla 24 se muestra la clasificación del macizo de acuerdo al espaciado de Juntas propuesta por Deere.

Tabla 24 Clasificación de Macizos Rocosos de acuerdo al espaciado de Juntas.

Deere (1967) Tomado (Salcedo SGC, 2009)

DESCRIPCIÓN

ESPACIADO DE JUNTAS

TIPO DE MACIZO ROCOSO

Muy ancho

> 3m

Sólido

Ancho Moderadamente cerrado

1-3 m

Masivo

0,3 - 1 m

En bloques

Cerrado

50 - 300 mm

Fracturado

Muy cerrado

< 50 mm

Machacado

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4.

Condiciones de las discontinuidades, evalúa las características mencionadas al inicio del presente apartado.

5. Condiciones Hidrogeológicas: el agua tiene gran influencia en los macizos, sobre todo en aquellos macizos diaclasados se recomienda estimarse el flujo de agua, en túneles cada 10 m.

6. La orientación de las discontinuidades constituye un parámetro de gran importancia con el fin de establecer el correcto sostenimiento en estructuras subterráneas. Bieniawski establece una clasificación aplicada a túneles referente a orientaciones entre las discontinuidades y el eje de la cavidad que se presenta en la Tabla 25.

Tabla 25 Orientaciones Relativas entre las Juntas y el eje de la Cavidad.

RUMBO PERPENDICULAR AL EJE DEL TÚNEL DIRECCIÓN SEGÚN BUZAMIENTO

DIRECCIÓN CONTRA BUZAMIENTO

RUMBO PARALELO AL EJE DEL TÚNEL

Buzamiento

Buzamiento

Buzamiento

Buzamiento

Buzamiento

Buzamiento

45º - 90º

20º-45º

45º - 90º

20º-45º

45º - 90º

20º-45º

Muy Desfavorable

Favorable

Regular

Desfavorable

Muy Desfavorable

Regular

BUZAMIENTO 0º-20º (Independient e del Rumbo)

Desfavorable

(Salcedo SGC, 2009)

Finalmente luego de definir los

valores correspondientes a los 5 primeros

parámetros de clasificación de Bieniawski se determina la categoría del macizo rocoso, a partir de un valor primario, establecido en Tabla 26, para el diseño de sostenimiento de un túnel se modifica el valor inicial correspondiente a la Figura 24 en función del último parámetro descrito y cuya valoración se presenta en la Tabla 27.

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Tabla 26 Clasificación Geomecánica RMR de Bieniawski.

(Salcedo SGC, 2009)

CLASIFICACIÓN GEMECANICA RMR (Bieniawski, 1989) PARAMETROS DE CLASIFICACIÓN

Resistencia de la matriz rocosa 1 (MPa)

Ensayo de carga puntual

>10

10-4

4-2

2-1

Compresión simple

>250

250-100

100-50

50-25

25-5

5-1

<1

15 90%100%

12

7

4

2

1

0

75%-90%

50%-75%

25%-50%

<25%

Puntuación RDQ

2

3

Puntuación

20

17

13

6

3

Separación entre diaclasas

>2 m

0.6-2 m

0.2-0-6 m

0.06-0.2 m

<0.06 m

Puntuación

20

15

10

8

5

<1 m

1-3 m

3-10 m

10-20 m

>20 m

6

4

2

1

0

Abertura

Nada

<0.1 mm

0.1-1.0 mm

1-5 mm

>5 mm

Puntuación

6

5

3

1

0

Rugosidad

Muy rugosa

Rugosa

Ligeramente rugosa

Ondulada

Suave

Puntuación

6

5

3

0

Relleno

Ninguno

Relleno duro <5 mm

Relleno duro >5 mm

Relleno blando >5 mm

Puntuación

6

4

2

1 Relleno blando <5 mm 2

Alteración

Inalterada

Ligeramente alterada

Moderadamen te alterada

Muy alterada

Descompuesta

Puntuación

6

5

3

1

0

Caudal por 10 m de túnel

Nulo

<10 litros/min

10-25 litros/min

25-12.5 litros/min

>123 litros/min

Relación: Presión de agua/Tensión principal mayor

0

0-0.1

0.1-0.2

0.2-0.5

>0.5

Estado general

Seco

Ligeramente húmedo

Húmedo

Goteando

Agua fluyendo

15

10

7

4

0

Estado de las discontinuidades

Longitud de la discontinuidad Puntuación

4

Compresión simple(MPa)

Agua freática 5

Puntuación Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil

0

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Tabla 27 Corrección por Orientación de Discontinuidades.

(Salcedo SGC, 2009)

CORRECCIÓN POR ORIENTACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES DIRECCIÓN Y BUZAMIENTO

MUY MUY FAVORABLES MEDIAS DESFAVORABLES FAVORABLES DESFAVORABLES

Túneles Puntuación Cimentaciones Taludes

0

-2

-5

-10

-12

0

-2

-7

-15

-25

0

-5

-25

-50

-60

Con la corrección por orientación de discontinuidades del valor inicial correspondiente a los 5 primeros parámetros se realiza la corrección correspondiente y se determina la clase de macizo rocoso según el RMR de Bieniawski, de acuerdo a la puntuación que se presenta en la Tabla 28.

Tabla 28 Clase de Macizo Rocoso. Clasificación de Bieniawski, (Salcedo SGC, 2009)

DETERMINACIÓN DE LA CLASE DE MACIZO CLASE

I

II

II

IV

V

Calidad

Muy Bueno

Bueno

Medio

Malo

Muy Malo

Puntuación

100-81

80-61

60-41

40-21

<20

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6.1.4 CLASIFICACIÓN DE BARTON (Q).

Barton, Lien&Lunde establecieron en 1974 una clasificación de masas rocosas que se fundamentó según información del Profesor Daniel Salcedo en datos obtenidos en más de 200 túneles, definiendo un índice Q, mediante la combinación algebraica de seis parámetros que se enuncian a continuación, cada uno con un rango de variabilidad proporcional a su influencia estimada sobre la calidad Geomecánica de la masa rocosa.

1. RQD: “Rock QualityDesignation” - Designación del índice de calidad de la roca, correspondiente al porcentaje de núcleos de perforación mayores a 10 cm.

2. Jn: Número de familias de discontinuidades en el mismo dominio.

3. Jr: Rugosidad de la discontinuidad más desfavorable.

4. Ja: Grado de rugosidad y relleno de la discontinuidad más débil.

5. Jw: Factor de reducción por la presencia de agua o flujo 6. SRF: Factor de reducción de esfuerzo, factor por fallamiento, por relación resistencia/esfuerzo, en rocas duras masivas por procesos fluyentes o expansivos.

“Los valores correspondientes a Jr y Ja dependen de la presencia de relleno y del tamaño de las juntas”. De acuerdo a los parámetros anteriormente mencionados Barton establece la calidad del macizo rocoso como se presenta en la ecuación 8.

1. El RDQ según Deere, mediante Núcleos de Perforación cuya longitud sea mayor a 10 cm.

2. Jn: Número de familias sets de Juntas, en la Tabla 29 se muestran los valores establecidos para Jn según algunas características.

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Tabla 29 Valor de Jn de acuerdo al número de Juntas.

(Salcedo SGC, 2009)

DESCRIPCIÓN

Jn

A

Roca masiva, pocas o ninguna junta

0,5 - 1

B

Una familia de Juntas

2

C

Una familia y algunas juntas ocasionales

3

D

Dos familias

4

E

Dos familias y algunas Juntas

6

F

Tres familias

9

G

Tres familias y algunas juntas

12

H

Cuatro o más familias, roca fracturada, "cubos de azúcar" etc.

muy

15

J Roca triturada terrosa 20 * En boquillas (portales), se utiliza 2 Jn, y en intersecciones de túneles 3 Jn.

3. Jr: Rugosidad de la discontinuidad más desfavorable, en la Tabla 30 se muestran los valores para la determinación del parámetro.

Tabla 30 Rugosidad de la discontinuidad más desfavorable.

(Salcedo SGC, 2009)

a) Contacto entre las dos caras de la junta, y b) Contacto entre las dos caras de la junta menor de 10 cm.

A Juntas discontinuas B Junta rugosa o irregular, ondulada C Suave Ondulada D Espejo de falla (Slickensided), Ondulada E Rugosa o irregular, plana F Suave plana G Espejo de falla (Slickensided), plana b) No existe contacto entre las dos caras de la junta, cuando ambas se desplazan lateralmente.

Zona contenido minerales arcillosos, suficientemente gruesa para impedir el contacto entre las caras de la junta Zonas arenosas gravosas o trituradas, suficientemente gruesas para impedir el contacto entre las dos caras de la junta

Jr 4 3 2 1,5 1,5 1 0,5 Jr 1 1

NOTAS: 1.

2.

3.

4.

La descripción se refiere a estructuras de pequeña e intermedia escala.

Aumente 1.0 el valor de Jr, si el espaciamiento promedio de la junta mas relevante es mayor de 3m.

Se puede usar Jr=0.5 para juntas planas, estriadas con espejos de falla que tengan lineación, considerando que las lineaciones están orientadas en la dirección de la mínima resistencia.

La clasificación de Jr y Ja se aplica al sistema de junta o discontinuidad que es el menos favorable.

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4. Ja: Grado de rugosidad y relleno de la discontinuidad más débil.

Tabla 31 Grado de Rugosidad y Relleno de las discontinuidades.

(Salcedo SGC, 2009)

a) Contacto entre dos caras de la junta sin relleno de minerales, solamente recubrimientos (coatings).

Ja

r Aprox.

A

Junta sellada, dura, relleno impermeable no reblandecibles, Ej. Cuarzo o Epidot

0.75

-

B

Paredes de las juntas inalteradas, solamente teñidas.

1.0

25-35

C

Paredes levemente alteradas, sin recubrimientos de minerales no reblandecibles, roca desintegrada con partículas de arena libres de arcilla.

2.0

25-35

D

Recubrimientos de limo o arena arcillosa, pequeña fracción de arcilla (No reblandecible)

3.0

20-25

E

Recubrimientos de minerales o arena de arcilla de baja fricción. Ej. Kaolinta o mica. También clorita, talco, grafito, yeso, etc y pequeñas cantidades de arcillas expansivas

4.0

8.-16

F

Partículas arenosas, roca desintegrada sin arcilla

4.0

25-30

G

Rellenos de minerales de arcilla fuertemente sobre consolidados, no reblandecibles. (Continuos pero de espesores menores de 5 mm.)

6.0

16-24

H

Rellenos de minerales de arcilla con baja o media sobre consolidación, no reblandecibles. (Continuos pero de espesores menores de 5 mm.)

8.0

12.-16

J

Rellenos de arcillas expansivas. Ej. Montmorillonita, continuos pero con espesores menores de 5 mm. El valor de Ja depende del porcentaje de partículas de arcillas expansivas, acceso de agua, etc.

8-12

6-12

c) No existe contacto entre las dos caras de la junta cuando ésta es cizallada (rellenos gruesos de minerales).

Ja

r Aprox.

KLM

Zonas o bandas de roca desintegrada o triturada y arcilla. (Para descripción de la condición de la arcilla Ver G, H, J)

6,8 ó 8-12

6-24

N

Zonas o bandas de arcillas limosas a arenosas, pequeña fracción de arcilla sin reblandecimiento

5.0

-

OPR

Zonas o bandas gruesas continuas de arcilla (Para descripción de las 10, 13 ó 13 - 20 condiciones de la arcilla, ver G, H y J.

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6 - 24

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5. Jw: Factor de reducción Tabla 32 Factor de Reducción por Agua.

(Salcedo SGC, 2009)

FACTOR DE REDUCCIÓN POR AGUA Jw.

A B C D E F

Excavaciones secas o de flujos menores, por ejemplo menos de 5 lts/min localmente.

Flujo o presión medios, ocasional lavado de los rellenos de las juntas.

Flujo grande o alta presión de agua considerable laado de rellenos en las juntas.

Flujo grande o alta presión de agua considerable lavado de rellenos en las juntas.

Flujo excepcionalmente alto o presión de agua con la voladura, disminuyendo con el tiempo.

Flujo excepcionalmente alto o presión de agua continuos sin disminución aparente.

Jw.

Presión agua kg/cm2.

1.0

<1

0,66

1-2,5

0.5

2.5-10

0.33

2.5-10

0.2-0.1

>10

0.1-0.05

>10

6. SRF: Factor de reducción de esfuerzo, cuyos valores representativos para la clasificación Geomecánica se muestran en la Tabla 33.

Tabla 33 Factor de Reducción de Esfuerzo en Macizos rocosos.

(Salcedo SGC, 2009)

a) Zonas de debilidad interceptan la excavación, que pueden aflojar la masa rocosa cuando el túnel es excavado.

SRF

A

Múltiples zonas de debilidad conteniendo arcilla o roca químicamente desintegrada, roca 10 muy suelta (a cualquier profundidad)

B

Zonas de debilidad simples conteniendo arcillas o roca químicamente desintegrada 5 (profundidad de excavación ≤ 50m)

C D

Zonas de debilidad simples conteniendo arcillas o roca químicamente desintegrada 2.5 (profundidad de excavación > 50 m) Múltiples zonas de cizallamiento en roca competente (sin arcilla), roca suelta alrededor (a 7.5 cualquier profundidad)

E

Zonas de cizallamiento simples (sin arcilla), (profundidad de excavación ≤ 50 m)

5.0

F

Zonas de cizallamiento simples (sin arcilla), (profundidad de excavación > 50 m)

2.5

G

Discontinuidades abiertas, sueltas, muy fracturada o "cubos de azúcar", etc.

5.0

NOTAS Tabla Jw. o Problemas especiales causados por formación de hielo no han sido considerados o Para la caracterización general de masas rocosas distantes de la influencia de la excavación, se recomienda el uso de Jw = 1.0, 0.66, 0.5, 0.33 etc, a medida que aumenta la profundidad desde digamos 0.5, 5-25, 25-250 a >250m, Asumiendo que RQD/Jn es suficientemente bajo.

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Los valores de los parámetros anteriormente descritos varían según de acuerdo al rango mostrado en la Tabla 34.

Tabla 34 Rangos Valores de Parámetros para Clasificación Q. (Salcedo SGC, 2009)

RANGOS RQD

0-100

Jn

0,5-20

Jr

0,5-4

Ja

0,75-20

Jw

0,05-1

SRF

0,5-20

De acuerdo al valor otorgado a los parámetros anteriores y según el resultado de la ecuación 8 la clasificación Q de Barton para masas rocosas se muestra en la Tabla 35.

Tabla 35 índice de Calidad del Macizo de acuerdo a Q de Barton (Salcedo SGC, 2009)

ÍNDICE DE CALIDAD Q TIPO DE MACIZO

VALOR DE Q

Excepcionalmente Malo

10-3 - 10-2

Extremadamente malo

10-2 - 10-1

Muy malo

1-4

Malo

4-10

Bueno

10-40

Muy bueno

40-100

Extremadamente Bueno

100-400

Excepcionalmente Bueno

400-1.000

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6.1.5 CLASIFICACIONES HOEK Y BROWN

Clasificación que evalúa la calidad del macizo mediante un índice geológico GSI (Geological StrengthIndex) en función del grado y características de fracturación, el tamaño de los bloques, la estructura geológica y la alteración de las discontinuidades, fue expuesta por primera vez por Hoek et al. En 1992 y desarrollada posteriormente por Hoek en 1994, Hoek et al. en 1995 y Hoek y Brown en 1997 con un campo de aplicación restringido a macizos rocosos relativamente resistentes, sin embargo las últimas publicaciones en 2000, 2001 y 2005 permiten abarcar un tipo más de macizos, los laminados y cizallados.

Se basa en la observación cuidadosa del macizo rocoso, es un estudio esencialmente cualitativo en afloramientos y sondeos. El GSI incorpora dos aspectos fundamentales del comportamiento de macizos rocosos; su fracturación, correspondiente al tamaño y forma de los bloques y la resistencia al corte de las discontinuidades.

LaTabla 36 muestra el gráfico para determinar el GSI en macizos rocosos fracturados a partir de datos geológicos en el que se ha ampliado la clasificación inicial para abarcar macizos rocosos de tipo Laminado y Cizallado.

A partir de la observación de la estructura de la masa rocosa y las condiciones de superficie se debe seleccionar un intervalo apropiado en el gráfico, la idea no es ser tan preciso sino seleccionar un rango de valores. Para algunos aspectos como la presencia de rocas fracturadas debido a la utilización de voladura se recomienda desplazar el GSI hacia la izquierda puesto que la baja calidad del macizo puede deberse precisamente a aplicación de voladura por lo que la condición de la masa rocosa estaría subestimándose en otros casos como el efecto de agua en rocas de medias a muy pobres el valor de GSI debe desplazarse a la derecha ya que la superficies de discontinuidad o el material de relleno son susceptibles a deterioro mediante los cambios de humedad.(Salcedo, 2009).

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Tabla 36 Estimación del GSI a partir de datos geológicos, para macizos rocosos fracturados Hoek y Marinos, (2000) Tomado de (Salcedo SGC, 2009)

Algunos autores han modificado el trabajo de Hoek y lo han adaptado a condiciones específicas, Truzman, 2000 con su trabajo para rocas metamórficas de las cordilleras de la costa, Venezuela y Sonmez & Ulusay para su aplicación a la estabilidad de Taludes(Salcedo, 2009).

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6.1.6 CLASIFICACIÓN ROMANA

Es un método rápido y sencillo para estudiar la estabilidad de un talud en un macizo rocoso. Esta clasificación está basada en el RMR de Bieniawski. Inicialmente en el RMR de Bieniawski establece un valor basado en 5 parámetros el cual se ajusta según la orientación de las discontinuidades, para aplicar el RMR en la estabilidad de taludes Bieniawski propone sustituir el factor de ajuste por orientación de las discontinuidades por otro cuyo valor varía de 0 a 60 (Ramirez & Oyanguren, 2007) y que se muestra en la Tabla 37.

Tabla 37 Valoración de Orientación de la discontinuidades para SMR. (Salcedo SGC, 2009)

VALORACIÓN DE LA ORIENTACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES ORIENTACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES Muy Favorable

VALOR DEL PARÁMETRO DE AJUSTE 0

Favorable

-5

Normal

-25

Desfavorable

-50

Muy desfavorable

-60

El SMR se obtiene restando al RMR un factor de ajuste F, que es producto de tres subfactores y adicional a ello se debe sumar un factor de Excavación F4, según se muestra a continuación en la ecuación 9.

Ecu. 9.

El factor de ajuste de las discontinuidades es producto de tres subfactores , que se describen a continuación:

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F1: Depende del paralelismo entre el rumbo de las discontinuidades y la cara del talud. El valor varía entre 1 (Cuando ambos rumbos son paralelos) y 0.15 (Cuando el ángulo entre ambos rumbos es mayor de 30º), y la probabilidad de falla es muy baja. Los valores para este factor se establecieron empíricamente, sin embargo, se encontró que se ajustaban a la ecuación 10, que se establece a continuación:

Ecu. 10.

Donde A corresponde a ángulo formado entre el rumbo de la cara del talud y el rumbo de la discontinuidad (Ramirez & Oyanguren, 2007).

F2: Depende del buzamiento de la discontinuidad en la falla plana. Varía entre 1 y 0,15 también. Puede ajustarse a la ecuación 11.

Ecu. 11.

Donde

es el buzamiento de la discontinuidad.

F3 Corresponde a la relación entre los buzamientos de la discontinuidad y del Talúd.

Para este valor se utiliza la Tabla 38presentada por Bieniawski, condiciones muy desfavorables se pueden presentar cuando el buzamiento del plano del talud sea 10º al de las discontinuidades ya que casi todas estarán descalzadas (Ramirez & Oyanguren, 2007).

Para hallar los valores de los parámetros F1, F2 y F3, Romana propone la Tabla 38 basada en las fallas del aforamiento:

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Tabla 38 Valoración de los Parámetros F1, F2 y F3, propuesta por Romana.

(Salcedo SGC, 2009)

MUY FAVORABLE

FAVORABLE

MEDIO

DESFAVORABLE

MUY DESFAVORABLE

T j - s - 180 P/ F1 T P j

>30º

30º-20º

20º-10º

10º-50

<5º

0,15

0,4

0,7

0,85

1

<20º

20º-30º

30º-35º

35º-45º

>45º

P

F2

0,15

0,4

0,7

0,85

1

T

F2

1

1

1

1

1

P

j -s

>10º

10º-0º

0º

0º-(-10º)

<-10º

T P/ T

s

<110º

110º-120º

>120º

-

-

0

-6

-25

-50

-60

CASO P

j - s

F3

P j

Falla Planar Dirección Buzamiento de Discontinuidad

T s

j

Buzamiento Discontinuidad

s

Falla por Volcamiento Dirección buzamiento de Talud Buzamiento del Talud

El factor F4 de Romana será función del método utilizado para la Excavación del Talud y se le asignará un valor de acuerdo a lo establecido en la Tabla 39.

Tabla 39 Factor de ajuste del factor F4 según método de excavación, propuesto por Romana.

(Salcedo SGC, 2009)

MÉTODO

TALUD NATURAL

PRECORTE

VOLADURA SUAVE

VOLADURA O MECÁNICO

VOLADURA DEFICIENTE

F4

15

10

8

0

-8

De acuerdo a la calificación obtenida anteriormente bajo los parámetros relacionados en la Ecuación 9, se entra en la Tabla 40 para clasificar el macizo de acuerdo a las clases establecidas por Romana.

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Tabla 40 Clasificación de Macizos Rocosos de acuerdo a Romana.

(Salcedo SGC, 2009)

CLASE

V

IV

III

II

I

SMR Descripción

0-20 Muy malo

21-40 Malo

41-60 Normal

61-80 Bueno

81-100 Muy bueno

Estabilidad

Completamente Inestable

Inestable

Parcialmente Inestable

Estable

Completamente Estable

Fallas

Grandes del tipo planar o Tipo suelo

Bloques

Ninguna

Ocasional

No necesario

Soporte

Reexcavación

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Planar en muchas Planar en algunas discontinuidades o discontinuidades y grandes cuñas muchas cuñas Importante/ Correctivo

Sistemático

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La mecánica de Rocas surgió como ciencia debido a la necesidad de entender el comportamiento de los macizos rocosos ante intervenciones ingenieriles y es a partir de los 90’s cuando toma gran fuerza y se fundamentan las bases de la misma bajo grandes autores como Terzhagui, Deere, Bieniawski, Barton y Romana entre otros.

Gracias a los estudios desarrollados, algunas naciones han podido adaptar postulados básicos a efectuar estudios aplicados a la mecánica de rocas para sus materiales geológicos, siendo evidente en este caso la falta de postulados, modificaciones o adaptaciones propias a los macizos Colombianos, por lo que en este ámbito se puede decir que aún falta mucho por hacer a nivel nacional.

La cartilla guía de clase de Mecánica de Rocas de la Universidad Agraria de Colombia comprende temáticas y conceptos básicos de la cátedra impartida en la Universidad, sin embargo, al ser ésta solo una guía de clase, no cuenta con información suficiente que abarque en su contenido el global de la mecánica de rocas por lo que será responsabilidad del estudiante o lector, la profundización de la temática mediante la bibliografía que se relaciona en el presente texto, así como la aplicación de conceptos mediante prácticas o trabajos de campo.

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BIBLIOGRAFÍA

Agueda, J. (2004). Curso de Estrato y Lámina. Oviedo: Prensa Universitaria: Universidad de Oviedo.

Andes, F. d. (2012). Clasificaciones Geomecánicas.Bogotá D.C.: Autor.

Boggetti, C. (2011). Blog Ciencias de La Tierra. Recuperado el 002 de 2014, de Blog Ciencias de La Tierra: http://cienciasdelatierra2011.blogspot.com/2011/04/rocassedimentarias.html Caicedo, F. J. (2006). Manual de Ingeniería de Taludes. España: Instituto Geológico y Minero de España.

Carlos, B. (2011). Blog Ciencias de la Tierra. Recuperado el 02 de 2014, de Blog Ciencias de

la

Tierra:

http://cienciasdelatierra2011.blogspot.com/2011/04/rocas-

sedimentarias.html Fernández Fernández, R. (2009). El profe de Naturales. Recuperado el 02 de 2014, de Bitácora

de

Ciencias

Naturales:

http://elprofedenaturales.wordpress.com/2009/11/16/rocas-igneas-o-magmaticas/ González de Vallejo L. I, M. F. (2002). Ingeniería Geológica. Madrid: Pearson Education S.A. González de Vallejo, L. I., & Ferrer, M. (2007). Clasificaciones Geomecánicas para Túneles. En L. I. González de Vallejo, Ingeo Túneles. Madrid: Entorno Gráfica.

Jimeno, C. L. (2007). Ingeo Túneles. U.D. Proyectos.

Lillo, J. (2013). Geología Aplicada a la Minería y Exploración Minera. Madrid: Gemm.

Lillo, J., & Oyarzon, R. (2013). Geología Aplicada a la Minería y Explotación Minera.

Madrid, Es: GEMM. Marinas, J. M. (2007). Geología Aplicada a la Ingeneiría Civil. Dossat-2000.

Montalar Yago, E. (07 de 2009). Blog Enrique Montalar. Recuperado el 02 de 2014, de Blog Enrique Montalar: http://enriquemontalar.com/ Oxford, U. d. (2011). Proyecto Adarve. Madrid, España.

Parra, J. B. (1970). Geología Aplicada a la Ingeniería Civil y Fotointerpretación. Texas: Lito Juventud.

Plaza Diez, O. (2004). Geología Aplicada a la ingeniería .

Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil

SERIE GUÍAS DE CLASE MECÁNICA DE ROCAS

89

Puig, I. G. (1970). Gelogía Aplicada a la Ingeniería Civil y Fotointerpretación. Texas: Lito Juventud.

Ramirez, P., & Monge, A. (2007). Mecanica de Rocas: Fundamentos e Ingeniería de Taludes. Madrid: Re Desir.

Rocas, C. d. (1996). Academia Nacional de Ciencias. Washington.

Salcedo SGC, D. (2009). Curso de Geología y Geomorfologían SGC. Tarbuck, E. J., & Lutgens, F. y. (2005). CIENCIAS DE LA TIERRA. Madrid: Pearson Educaciòn S.A. Vázquez, M. R. (2001). Geología Aplicada a la Ingeniería Civil. Limusa S.A. Villalaz, C. C. (2004). Mecánica de Suelos y Cimentaciones. México: Limusa.

Wikipedia La Enciclopedia Libre. (8 de 12 de 2013). Bogota, chia. Recuperado el 8 de 12 de 2013, de es.wikipedia.org Yago, E. M. (15 de septiembre de 2009). Clasifiación Geomecánica Terzaghi.

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