UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales LABORATORIO AREA GEOTECNIA
GEOTECNIA I
Los macizos rocosos EN INGENIERIA
1 GEOLOGIA PARA INGENIEROS Ingeniería Civil e Ingeniería Ambiental Versión 3.0 – Abril de 2016
INTRODUCCION Los afloramientos rocosos y masas rocosas con los cuales se enfrenta la Ingeniería en las actividades relacionadas con la construcción, como el emplazamiento de obras civiles y la explotación de materiales para la construcción, son designados genéricamente como macizos rocosos. Los macizos rocosos constituyen la realidad in–situ de los trabajos del ingeniero, sean como soporte de obras (fundaciones), considerados como contexto de las mismas (represas, túneles), como fuente de provisión de materiales (áridos para la construcción) o repositorios de materiales contaminantes.
Se trata de masas rocosas constituidas de manera más o menos homogénea por uno o varios tipos de rocas, del mismo o de variados orígenes, según la complejidad el ambiente geológico en el que se encuentran y la escala en la que se desee efectuar el análisis. La descripción de los macizos rocosos, desde el punto de vista geotécnico, requiere de precisiones acerca de sus características geomecánicas, esto es, de aquellas particularidades que inciden en su comportamiento ante los esfuerzos y diferentes condiciones ambientales.
1 Publicaciones Digitales de la Cátedra de acceso libre en plataformas públicas. Ciclo lectivo 2016. Abril, E.G. (2016). Los macizos rocosos en ingeniería. Geotecnia I: Geología para Ingenieros. Carreras de Ingeniería Civil e Ingeniería Ambiental. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba. Córdoba, Argentina. Versión Digital V 3.0 (abril de 2016).
Si bien se debe profundizar en cuestiones específicas de la especialidad desde la que abordamos el tema, no deben quedar dudas acerca de la importancia que tiene considerar distintos aspectos de la realidad en su contexto. Será ésta la visión más cercana de la realidad a la cual se podrá acceder. La aproximación al conocimiento de las cosas debe comprender, en este sentido, tres dimensiones contextuales fundamentales: - Un análisis geográfico determinado Que permitirá abordar en las diferentes escalas que corresponda el contexto geográfico que determina la realidad dinámica integral del sitio puntual bajo estudio - Un estudio temporal acotado Mediante el cual se podrán analizar las distintas situaciones del problema con el transcurso del tiempo, conociendo sus características en diferentes etapas - El conocimiento de la relación dinámica entre las partes Que posibilitará advertir las variables en juego, la jerarquía de cada una, sus relaciones y su funcionamiento actual en conjunto
Aproximación al conocimiento general a partir del detalle
El conocimiento en detalle de alguno de los aspectos o del funcionamiento de una variable en particular no deben dejar de lado la concepción global del problema en cuestión, en su contexto, integralmente y durante el transcurso del tiempo que corresponda para poder visualizarlo en perspectiva. Para proyectar las obras civiles, es preciso caracterizar el terreno con la finalidad de establecer las condiciones particulares del lugar o de los sitios involucrados en el emprendimiento. Esto se debe a que deben conocerse las características especiales a tener en cuenta en la concepción de la obra (su emplazamiento y su diseño). En la Ingeniería Civil se apunta en particular a los aspectos geomecánicos, como la constitución litológica, las estructuras, la presencia de discontinuidades y el estado de conservación, que configuran rasgos de debilidad o afectan de alguna manera las propiedades originales del macizo rocoso y definen su comportamiento en diferentes sitios y ante distintas condiciones. La Ingeniería Ambiental contempla también estos asuntos, pero centra su atención en analizar otras cuestiones complementarias. Como desde su óptica se estudian los emprendimientos con relación a la problemática del ambiente, el abordaje es de carácter integral e integrado, contemplando aspectos químicos, ecológicos, sociales, económicos y tecnológicos.
En particular, esta rama de la Ingeniería debe necesariamente abarcar el diseño, la aplicación y la gestión de procesos, productos y servicios tecnológicos para la prevención, el control y la remediación de problemas de degradación ambiental. En tal sentido, apuntar a garantizar una mejor calidad de vida mediante la consideración de aspectos que aseguren la conservación y preservación del ambiente en cuanto a que es éste el hábitat de la humanidad. El ingeniero ambiental debe estar en condiciones de reconocer, interpretar, diagnosticar y evaluar el impacto ambiental de actividades y proponer obras que permitan soluciones integrales a problemáticas ambientales específicas a las que apunten los proyectos. Su cometido será vigilar la protección del ambiente y los servicios ecosistémicos, evitar su degradación y preservar, o en su caso recuperarlos y revitalizarlos. Como se advierte, su participación en la concepción de las obras civiles será siempre crucial.
FACTORES QUE DEFINEN LAS PROPIEDADES DEL MACIZO Generalidades Hay una serie de factores que controlan la calidad del macizo rocoso. En particular, cuando se habla de calidad de la roca, se está haciendo referencia a propiedades frente a los diferentes propósitos de interés que pueden tener los macizos y materiales rocosos en la construcción. Las unidades rocosas presentan tres características que conducen a la definición de sus propiedades geomecánicas:
Estas propiedades del macizo rocoso participan también de su potencial comportamiento a partir de la presencia de una obra civil que las pone en juego. Habitualmente, se tiene en cuenta la variabilidad del comportamiento del macizo teniendo una visión estática del problema, cuando se debe considerar la dimensión temporal (evolución previa de la situación) y la dinámica integral, la interacción de las variables actuantes sobre la realidad analizada. La necesidad de la Ingeniería de analizar y concebir la realidad según parámetros numéricos temáticos llevó a buscar la forma de categorizar los
macizos rocosos en función de su calidad ante las exigencias planteadas por las obras de ingeniería.
Conocimientos necesarios para una eficiente previsión de un impacto
Esto llevó a la tabulación y la búsqueda de una jerarquización objetiva de los diferentes aspectos que definen la calidad de los macizos rocosos, para poder comparar situaciones, contemplar todos los casos posibles y llegar a un lenguaje en común para entenderse en la jerga ingenieril.
Logros a partir de la expresión valorativa de las variables geotécnicas
Las diferentes experiencias, especialmente las que se obtuvieron a partir de la ejecución de túneles con distintos propósitos, particularmente en Europa y los EE.UU., condujeron a establecer criterios de clasificación de distinto tipo y que fueron perfeccionándose y haciéndose cada vez más complejos:
Clasificaciones surgidas en los primeros treinta años de experiencia
Criterios complementarios de orden ambiental llevaron no solamente a concebir una etapa constructiva más amigable con el ambiente y racional sino también hasta diseñar para lograr un impacto positivo en el medio, esto es contribuir a su restauración o a su mejoramiento, incluyendo el período de mantenimiento, para posibilitar que la obra llegue a tener vigencia según fue concebida.
Esto último justifica el análisis de las tendencias y situaciones futuras derivadas de cambios como los de uso del suelo, posibilidad de situaciones nuevas (variaciones en la profundidad de la freática, incendio de campos, tala…) u oscilaciones cíclicas o extremas en variables ambientales como las de orden climático.
Aspectos considerados en el proyecto de obra
Distintos recursos tecnológicos dieron lugar al surgimiento de metodologías y estrategias que permiten hoy ser más eficientes y posibilidades de un monitoreo efectivo de variables o indicadores.
Composición del macizo Identificar la génesis del macizo rocoso, es decir, conocer si se trata de rocas sedimentarias, metamórficas o ígneas, así como diferentes variedades de rocas dentro de cada tipo genético, pueden dar una idea inicial de sus fortalezas, debilidades y demás propiedades físico-mecánicas y químicas de interés en ingeniería.
Diferencias de resistencia a priori entre rocas ígneas y sedimentarias
Así, el factor de base que define las propiedades de los macizos rocosos es la génesis y, dentro de cada tipología, el sub-tipo de rocas presentes. Pero no solo esta variable determinará la calidad si se trata de asegurar condiciones locales de estabilidad o de permeabilidad, exigiendo medidas generales y otras particulares, según el sitio que se esté analizando.
Grado de homogeneidad Se han analizado ya los diferentes minerales y sus propiedades, que de alguna manera son transmitidas al macizo rocoso en función de la proporción y de la manera en que están dispuestos en la masa de roca. Considerando el macizo rocoso expuesto en el corte de una ladera de una montaña, frente a una carretera, por ejemplo, puede que el tipo litológico sea uno solo (metamórfico, por ejemplo), dando con ello idea de un determinado comportamiento que exigirá a su vez una pendiente tal en el corte que asegure su estabilidad. Hay macizos rocosos que presentan homogeneidad en su conjunto, pero esto es cuestión de escala de análisis, ya que pueden presentarse zonas que concentran ciertos minerales que confieran particulares condiciones de permeabilidad, resistencia o, como en el caso que se ilustra, de debilidad.
Esquistosidad concentrada en un sector de un macizo rocoso
Como se mencionó, incide en este sentido el tipo genético. El origen de la roca ya configura sus características geotécnicas, como cierta variabilidad local en la homogeneidad, que serán a su vez variables según su modo de emplazamiento. Yacencia Sin embargo, hay características litológicas derivadas de la posición relativa de las particularidades composicionales del macizo en relación al tipo de obra y sus partes. La forma de yacer, la manera en que se dispone el material en su conjunto, pero también la que presentan sus partes, en relación a la dirección de un desmonte y a su envergadura, son importantes a la hora de analizar la interacción de los esfuerzos internos y externos, las vibraciones, la permeabilidad, etc. Tipo de obra Otras condiciones como la tapada en un túnel o la altura de un corte en una ladera inciden decisivamente y tienen que ver en cuanto que se trata de la relación entre la obra y el medio en el cual se realiza.
Estructura de los macizos rocosos En cuanto a la estructura original de las rocas, se han expresado ya salvedades en cuanto a la esquistosidad, pero hay estructuras secundarias, que son las que se han generado después de que la roca en sí se ha formado. El diaclasado y la fracturación (discontinuidades) y los pliegues (el rumbo y buzamiento de la estratificación en escala local) no son excepciones a la homogeneidad de la masa rocosa como la esquistosidad e inciden ya sea de modo especial (fracturas) o sistemático (diaclasas) en la estabilidad de los macizos. Es importante hacer notar que una de las condicionantes de la propiedad del macizo en cuanto a elemento soporte (fundaciones, muros en túneles, desmonte para la traza de caminos) es no solo la carga que significa la masa rocosa en sí sino también la intensidad y la dirección de los esfuerzos que actuarán sobre ella. , si son verticales u oblicuos, de empuje, de tracción o hidrostáticos.
Perfil de un macizo rocoso
Estructura de un macizo e incidencia en un túnel y una ruta
Mientras la textura y la fábrica son características o términos estructurales del material que compone la roca pero perceptibles en un análisis en detalle, la estructura se refiere a la observación de rasgos mayores del macizo rocoso, en una escala superior, y sólo puede ser examinada en afloramientos naturales o en excavaciones artificiales.
Estructuras primarias Las estructuras primarias, como es de suponer a partir de su definición, se encuentran ligadas a las particularidades genéticas del macizo rocoso, siendo propios de determinados tipos genéticos las estructuras masivas (de carácter eminentemente homogéneo), como la de los granitos, o foliadas (heterogéneas), como la de algunas rocas metamórficas. Estructuras
Texturas
Estructuras masiva (granitos) y foliada (metamorfita)
Puede entonces partirse de los tipos genéticos de rocas para definir las tres principales estructuras primarias:
Estructuras propias de las rocas sedimentarias A nivel de detalle, la textura de las rocas sedimentarias clásticas incluyen granos (clastos mayores), una matriz granular (clastos menores) y un cemento que aglutina y une. El entramado que relaciona las partículas unas con otras no es un engarce de tipo molecular, como en las rocas ígneas (uniones muy sólidas y firmes), pero el cemento (sílice, carbonatos…), dependiendo de su naturaleza, puede asegurar condiciones de dureza y resistencia elevadas, incluso a la tracción.
Rotura en un plano en una roca sedimentaria Una roca bien cementada romperá de modo franco, a través de los granos
La rotura que debería ocurrir ante esfuerzos de cizalla atravesaría la masa partiendo el cemento y rompiendo los granos. Las fuerzas deberían superar la resistencia de los clastos y del cemento. La típica estructura de estas rocas es la estratificación. La estratificación es la característica estructural de las rocas sedimentarias y configura una estructura en planos de diferente resistencia.
La sedimentación, se trate del caso de rocas clásticas (granulares) como evaporíticas (cristalización en capas), es un proceso que origina una disposición interna originalmente horizontal en capas en el macizo.
Las características de cada capa se encuentran determinadas por las condiciones ambientales bajo las cuales se formaron. Cabe destacar entonces que, debido a esto, hay diferencias en la fragilidad, dureza, plasticidad o potencial solubilidad de cada ca-pa, lo que le confiere heteroge-neidad (comportamiento varia-ble).
Estratos en una columna sedimentaria
En las sedimentitas clásticas, las diferencias entre los estratos se debe a variedades granulométricas entre una y otra capa, capas que provienen del aporte de material o de la decantación diferencial determinada por el peso específico y/o la forma de las partículas. El resultado de la sedimentación es la aparición de capas (horizontes) de materiales más o menos homogéneos y los consecuentes planos de estratificación. La forma de depositación indica el régimen y la energía del ambiente en el que tuvo lugar. El techo y el piso de cada horizonte, son planos que definen diferencias de comportamiento, dado que son diferentes. Estratos sedimentarios inclinados (estructura primaria reposicionada por basculación)
Las condiciones de estabilidad de las paredes y el techo de un túnel o de las laderas de un desmonte, dependerán de los espesores de los estratos y de la posición del eje de la obra en relación con las estructuras del macizo.
Condicionamiento estructural de la estabilidad de una ladera por desmonte Estructura primaria: estratificación (macizos horizontal y basculado)
Cuando la estructura está dada por capas de pocos milímetros de espesor, la estratificación es llamada laminación.
Condicionamiento estructural de la estabilidad de una ladera por desmonte Estructura secundaria: pliegues
La laminación puede ser horizontal (origen generalmente hídrico de baja energía), pero también diagonal, cuando alternan capas inclinadas y horizontales, o entrecruzada, alternando capas con inclinaciones opuestas (origen eólico), paralela, horizontal, etc. Esta disposición de las capas transmite a la masa un comportamiento heterogéneo y se habla de una anisotropía, ya que las propiedades varían según las direcciones en las que actúen los esfuerzos.
Entrecruzamiento de génesis eólica (agente: viento)
En ocasiones, la estructura original se mantiene pero todo el conjunto rocoso participa de modificaciones regionales que implican un cambio en la posición de estas estructuras originales. Un ejemplo de esto es la ocurrencia de la basculación de un bloque montañoso. Todo un depósito sedimentario que pertenece a una unidad estructural queda sometido a esfuerzos distensivos o compresivos que terminan modificando la horizontalidad original del bloque. El conjunto asciende y se inclina y los afloramientos son erosionados. Finalmente, se vuelve a dar un ciclo sedimentario, encima de la superficie erosionada.
A
B
C
Secuencia. A: Sedimentación; B: ascenso, basculación y erosión; C: Sedimentación
Una cuestión a tener muy en cuenta en el análisis de los macizos rocosos es la escala de análisis. De acuerdo con la escala en que es analizado el macizo pueden darse diferencias de apreciación
sustanciales. Esta escala de visión del problema debe especificarse cuando se efectúa un diagnóstico de calidad del macizo. Y la escala de análisis debe estar relacionada con la envergadura de la obra o del proyecto en cuestión. De todas maneras, un ejemplo basta para destacar el cuidado que hay que tener para establecer el alcance de un diagnóstico. Se advierte que, según el nivel de detalle del análisis, pueden variar significativamente los calificativos técnicos de roca intacta o macizo diaclasado. En este caso se refiere a la calidad del macizo rocoso en paredes y techo para un túnel en la posición y de las dimensiones dadas. ◄ Diferentes escalas de consideración de una misma realidad
El tamaño de los bloques tendrá o no incidencia en la estabilidad según las dimensiones del túnel y de la posición y envergadura de las zonas de debilidad manifiestas en el macizo rocoso. Las condiciones estructurales pueden afectar en forma regular a todo el macizo o constituir una excepción o una particularidad. Esto se manifiesta concretamente en casos de intersección de franjas de debilidad o particularidades litológicas aisladas cuando son intersectadas por la traza de una obra lineal como una ruta o un túnel.
Zonas críticas en el trayecto de un túnel según la fracturación de la roca se encuentre generalizada o concentrada en una faja (franja de debilidad) que constituye una anomalía en el macizo rocoso.
Estructuras propias de las rocas ígneas La estructura masiva es típica de las rocas ígneas. Los cristales conforman una pasta cristalina que constituye una masa homogénea. La relación entre
los cristales es a nivel molecular (trabazón de cristales minerales) y por enfriamiento de una sustancia fundida.
Estructuras de algunas rocas ígneas plutónicas y sus equivalentes volcánicas
Las propiedades del macizo granítico entonces, desde el punto de vista litológico, son iguales en todas las direcciones (es un cuerpo isótropo). Esta isotropía primaria puede ser afectada por estructuras secundarias que introducen planos de debilidad.
Macizo granítico litológicamente homogéneo y estructuralmente anisótropo (diaclasado)
Estructuras propias de las rocas metamórficas El metamorfismo produce la deformación y/o la re-fusión parcial de los minerales de la roca de origen.
Estructuras típicas de las rocas metamórficas entre muy bajo y alto grado
Este hecho permite que minerales de igual tipo (igual punto de fusión) se deformen aplastándose, orientándose e incluso asociándose, configurando
lo que se denomina bandeamiento (bandas de feldespatos o de cuarzo en los gneises, por ejemplo).
Gneis bandeado
Gneis esquistoso
Los minerales deformados a veces se extruyen y acumulan en sectores de la masa, dejando nichos o franjas de minerales entre los cuales hay otros minerales poco resistentes y con clivaje notorio, como las micas (este fenómeno origina la esquistosidad en los gneises, por ejemplo). El bandeamiento y la fluidalidad son las características estructurales típicas de las rocas metamórficas. Lo expuesto es para el caso de que la metamorfita derive de otra metamórfica o de una roca ígnea.
Roca metamórfica proveniente de una sedimentita plegada
Para el caso de que provenga de una roca sedimentaria, se pasa a propiedades mecánicas derivadas de la estratificación original. Cuando la estructura consiste en capas paralelas y los granos (si era una sedimentita) o cristales (si era una metamorfita), eran pequeños, la roca metamórfita deriva en otra roca que presentará lajosidad, una estructura en capas definida por la foliación (presencia de finas capas de mica).
Metamorfita con niveles de foliación (lajosidad) proveniente de sedimentitas plegadas (nivel inferior y horizontales)
Cuando la mica es muy abundante y se encuentra dispersa en la masa rocosa el material todo se hace más débil y constituye otro tipo de estructura propia de masas heterogéneas y que se denomina esquistosidad.
Foliación
Esquistosidad
Si el metamorfismo es elevado se producen estructuras migmatíticas (de fusión) que significan una recristalización de los minerales de la roca original que puede esbozar algunas características primarias pero que conforman diseños típicos de rocas muy resistentes. Podrían plantearse las estructuras migmatíticas como primarias o secundarias, pero esto depende de en qué medida las estructuras originales fueron modificadas hasta desdibujarse en la masa rocosa. Indudablemente que esta visión de la realidad depende de la escala en que se analice el conjunto Migmatita
Estructuras secundarias Las estructuras secundarias se generan luego de que la roca se ha originado. Se trata de deformaciones de la roca original (pliegues) o de discontinuidades físicas de la masa rocosa (fracturas y diaclasas). Pliegues Cuando las rocas son sometidas a esfuerzos en condiciones de confinamiento y en profundidad, a lo largo de períodos muy prolongados con presiones y temperaturas elevadas, se deforman. Tales condiciones hacen que un sólido originalmente duro y frágil como una roca sedimentaria incluso cementada pueda deformarse.
Estas deformaciones se expresan como pliegues, los cuales pueden adoptar variados diseños y con dimensiones y alcance también muy diferentes. La tectónica posterior y la erosión pueden completar procesos que derivan en diseños sumamente complejos que representan la secuencia de acontecimientos por los que atravesó la roca con el transcurso del tiempo en escalas geológicas.
Estratos plegados de manera compleja
Discontinuidades Una discontinuidad es una ruptura, un plano de debilidad dentro de la roca. A partir de ella se produce una pérdida de la continuidad de la masa rocosa. Las discontinuidades pueden ser aisladas (fracturas) o sistemáticas (diaclasado).
La fracturación de una masa rocosa puede darse a partir de la disminuíción de la carga que sufre por encima (carga litostática). El relajamiento de estas tensiones a una velocidad determinada hace que el material subyacente no se comporte plásticamente sino en un modo frágil. Fracturas de descompresión en granito
El efecto de la presencia de una discontinuidad se manifiesta en la pérdida de la resistencia a la tracción. La resistencia a la tracción pasa a ser cero (las partes se separan), o es muy baja, es decir, es mucho menor que la de la masa continua de ese material rocoso. Una discontinuidad no es necesariamente un plano que define la separación de dos bloques dentro del macizo rocoso sino simplemente una discontinuidad que no presente separación entre las caras (espesor nulo).
Diaclasado en un medio rocoso homogeneo
Las discontinuidades tienen diversos orígenes, siendo reconocidos dos de ellos como los tipos principales: - Discontinuidades en juegos - Discontinuidades aisladas Las discontinuidades en juegos Son aquellas que ocurren en conjuntos y obedecen a una respuesta de una masa homogénea. Se trata de discontinuidades o planos de debilidad menores repetidos, como las expresadas en planos de estratificación, diaclasas, clivaje o foliación. Su repetición en secuencia hace que sean susceptibles de un tratamiento estadístico. Dentro de las discontinuidades sistemáticas, un tipo muy importante lo constituyen las diaclasas.
Juegos de discontinuidades: Debilidad del macizo en función de su coexistencia.
El diaclasamiento o diaclasado se traduce en grietas en el macizo rocoso. Es una consecuencia de haber sufrido la masa rocosa tensiones en el ámbito de la deformación rígida. La roca no alcanzó a deformarse debido a que las tensiones fueron mayores a las que podía tolerar, y se rompió, pero sin existir desplazamiento entre las partes resultantes de la ruptura. La separación que pueda observarse en la actualidad ocurre por fenómenos que han tenido lugar luego, con el transcurso del tiempo. Las discontinuidades aisladas Se expresan como discontinuidades solitarias, que no responden a una distribución regular o sistemática en la masa rocosa local. Ejemplo de éstas son las fallas (discontinuidades mayores) y las fracturas (discontinuidades menores). Son discontinuidades que en general afectan el entorno de su traza (especialmente las fallas) y su análisis debe ser realizado en forma individual.
Perfil mostrando una falla con desplazamiento de carácter directo
De ser posible, es importante diferenciar el origen de los distintos tipos de discontinuidades, dado que existe una relación muy grande entre origen y
propiedades ingenieriles de las mismas (por ejemplo los planos formados por tracción o por corte. La descripción de las discontinuidades en el macizo rocoso tiene por objeto determinar su naturaleza, posición espacial (rumbo y buzamiento), espaciamiento, persistencia, rugosidad, resistencia de las paredes, apertura, relleno, filtraciones, número de juegos y tamaño de los bloques resultantes. Definición de las características de las discontinuidades: Posición espacial Cada discontinuidad debe ser localizada en el espacio. Para ello se deben fijar las coordenadas geográficas (latitud y longitud), además de la cota o elevación (altura con respecto a una línea de referencia). Deben registrarse el rumbo (ángulo horizontal del plano con respecto al Norte magnético), el buzamiento (ángulo de máxima inclinación con respecto a la horizontal) y la dirección de buzamiento (rumbo del plano vertical que contiene al buzamiento), mediante el uso de una brújula geológica.
Para definirlos, es necesario realizar varias mediciones, con la finalidad de efectuar un análisis estadístico de las mismas. Las mediciones deben ser hechas en distintas discontinuidades de un mismo juego, para advertir los parámetros más negativos de cada uno y manejarse con ellos, con los más desfavorables.
Características a relevar en las discontinuidades de un macizo rocoso
Luego de las mediciones durante los relevamientos de campo, se evalúan los juegos más desfavorables. Los trabajos a desarrollar en campaña requieren disponer de una brújula, un clinómetro y una ruleta.
Esquema general de los datos a relevar en un macizo rocoso
Espaciamiento de las discontinuidades El término espaciamiento se refiere a la distancia medida perpendicularmente entre dos discontinuidades adyacentes. Para un juego de discontinuidades, corresponde especificar un espaciamiento medio. Los términos descriptivos se dan en la tabla. ESPACIAMIENTO DE LAS DISCONTINUIDADES
Distancia y persistencia de las discontinuidades
Persistencia de las discontinuidades Es una medida de la extensión en área o en tamaño de un plano de discontinuidad, desde su aparición hasta su finalización, que puede ocurrir dentro de la misma masa de roca como estar determinada al encontrarse contra otra discontinuidad. La persistencia de la discontinuidad está relacionada con la magnitud del esfuerzo sufrido en cuanto que muestra su propagación dentro de la masa rocosa
Persistencia de una discontinuidad
La persistencia tiene una gran influencia sobre la resistencia al corte en el plano de la discontinuidad, donde los segmentos de roca intacta actúan como interrupciones o puentes de roca, aumentando la resistencia.
Efecto de los puentes de roca en la debilidad del macizo
Rugosidad de las discontinuidades La superficie de la discontinuidad puede ser plana, ondulada o escalonada. Su descripción está basada en dos escalas de observación: Escala de detalle Escala panorámica
(algunos centímetros) (algunos metros)
Los términos descriptivos se dan en tabla y corresponden a los perfiles típicos que se observan en la figura siguiente.
I II III
IV V VI VII VIII IX
Perfil del plano de los tipos de discontinuidades según los tipos escalonado, ondulado y plano
Resistencia de las paredes de las discontinuidades La resistencia al corte de una discontinuidad puede ser afectada por la resistencia propia del material rocoso que forma las paredes de la misma, sobre todo cuando el relleno es pequeño o está ausente y la rugosidad de las paredes es significativa.
Esquemas de un plano de corte y detalle de la ruptura de granos en una roca sedimentaria clástica.
La resistencia de las paredes puede ser medida en términos de resistencia a la compresión, la que suele ser menor que la del material rocoso fresco, debido a la meteorización o alteración de las paredes. Apertura de las discontinuidades Es la distancia perpendicular entre las paredes adyacentes de una discontinuidad, que puede estar vacía, con agua o rellena con materiales sólidos. Se describe con los términos de la tabla.
Apertura y relleno de una discontinuidad ►
Relleno de las discontinuidades El relleno de las discontinuidades puede estar ausente (vacías), ser suelo introducido en la apertura, contener minerales tales como calcita o, en el caso de tratarse de fallas, arcilla y brecha de falla. El espesor del relleno, conjuntamente con la rugosidad de las paredes, es importante en la determinación de la resistencia al corte a lo largo de la discontinuidad.
◄ Relleno de una falla
Filtraciones de las discontinuidades El agua presente en los poros o en las discontinuidades reduce la resistencia del macizo rocoso en su conjunto. El agua en la roca, cuando los poros o los vacíos están llenos, ejerce una presión llamada hidrostática. La presión hidrostática es ejercida contra las caras de las discontinuidades y tendiendo a separarlas, por lo que reducen los esfuerzos normales existentes entre las paredes de las discontinuidades cuando estas no poseen agua. Es muy importante cuando se trata de rocas blandas o material meteorizado, reduce la resistencia de la matriz rocosa en macizos porosos, disminuye la resistencia al corte de las discontinuidades, erosiona internamente a la roca cuando hay permeabilidad y movilidad y produce reacciones químicas que pueden lavar la roca y cambiar la composición química del fluido .
El flujo de agua y el agua libre visible en las discontinuidades deben ser registrados y, de ser posible, medidos, con la finalidad de advertir la incidencia de sub-presiones y calcular o estimar los caudales que ingresan o que eventualmente podrían filtrarse, en el caso de grandes desmontes, obras subterráneas, túneles, etc. Las filtraciones significan que hay presión en el agua contenida en las discontinuidades. Esta presión contribuye al lavado del material de relleno y con ello al progresivo aumento del caudal, pero también es un factor de importancia para sumar a las tensiones propias del macizo rocoso. La presencia de agua fluyendo desde las discontinuidades depende en ocasiones del momento en que se produce la observación. A veces lo que se observa el la presencia de vegetación y en algunos casos esta vegetación se encuentra muerta, lo cual implica que en épocas de lluvia la humedad está presente. Número de juegos de discontinuidades Las discontinuidades pueden presentarse en forma irregular, de escasa persistencia, sin conformar juegos, casos en los cuales son denominadas no sistemáticas.
Por otra parte, las discontinuidades sistemáticas son generalmente persistentes, conformando varios juegos de discontinuidades paralelas o sub-paralelas. Estas discontinuidades sistemáticas pueden formar uno o varios juegos, los cuales definirán el tamaño de los bloques que formarán el macizo rocoso.
Juegos de discontinuidades
Tamaño y forma de los bloques Si bien el tamaño y la forma de los bloques de material rocoso puede ser definido por el espaciamiento y la orientación de las discontinuidades, una serie de términos descriptivos son recomendados para su designación. Los siguientes términos definen la forma:
El tamaño de los bloques ha sido estandarizado describiéndose de acuerdo con términos acotados por tabla. Debe considerarse que frecuentemente los grupos de trabajo en las grandes obras provienen de distintos ámbitos técnicos en cada uno de los cuales hay ya un lenguaje establecido y ciertas costumbres. Recurrir a estas clasificaciones por tabla disminuye la subjetividad y ayuda a la comunicación y a entenderse cuando se trata de una descripción.
La forma de los bloques también merece ser considerada porque define su comportamiento relativo:
FORMAS DE LOS BLOQUES
Alteración de la roca La alteración de las rocas que conforman el macizo rocoso se refiere al cambio experimentado en sus elementos constitutivos como consecuencia de haber aflorado en superficie (disminución de la carga litosférica, secuencia de expansión/contracción por variación de la temperatura en superficie) y del intemperismo (haber quedado expuestas a los fenómenos atmosféricos, ajenos al ambiente subterráneo que prevalecía hasta el momento del afloramiento).
Fenómenos químicos relacionados con la alteración de las rocas Las diferentes reacciones químicas que se dan entre las sustancias de las rocas y entre éstas y los agentes del intemperismo (el aire y el agua) se desarrollan a distintas velocidades y con distinta intensidad, de acuerdo con las características ambientales. La estabilidad de los minerales que conforman los macizos rocosos se pone en juego cuando el ambiente en el que se encuentra el macizo actúa lentamente sobre él o cuando situaciones especiales, generalmente excepcionales, someten a partes del macizo a situaciones de vulnerabilidad química.
Hidrólisis sobre feldespatos (ortosa)
Uno de los fenómenos más importantes ocurre cuando se da la presencia de la vegetación: la acción biológica.
La acción biológica, a partir de la meteorización física y fisico-química de partida que interviene en la fragmentación de la roca, es la que origina la transformación de la roca en suelo. Si bien el concepto de suelo difiere sustancialmente entre lo que consideran como tal la edafología, la ingeniería y la agronomía, la participación de la vegetación complementa la acción del intemperismo para originar lo que genéricamente se considera un suelo.
El perfil de meteorización En el macizo rocoso, la meteorización puede ser descripta considerando la distribución y proporciones relativas de roca fresca y roca decolorada, descompuesta o desintegrada, y los efectos sobre las discontinuidades. La meteorización puede llegar a convertir la roca en suelo y el perfil de meteorización puede ser descripto en tres categorías: roca, roca – suelo y suelo.
En macizos rocosos formados por un solo tipo de roca, estas unidades constituirán una sucesión vertical, con roca en profundidad, luego suelo roca y finalmente suelo, a medida que nos acercamos a la superficie. Esto ocurriría en el caso de que se hubiera desarrollado un perfil de meteorización completo y se hubiera preservado de la erosión.
Meteorización del macizo rocoso La meteorización, combinada con la acción de la tectónica y los agentes erosivos puede conducir a la transformación de un macizo rocoso en un paisaje muy diferente al original. Subyacente a la superficie se encuentra la roca menos alterada cuyas características deberán conocerse apelando a la deducción del especialista y a comprobaciones de campaña.
Diferentes litologías condicionan el desarrollo de discontinuidades (estructuras secundarias) a partir de las cuales se desarrollan distintos estilos de fragmentación y procesos de alteración. El paisaje resultante evidencia estos procesos en lo que terminan siendo relictos de macizos rocosos otrora aflorantes en superficie.
Paisajes resultantes a partir de diferentes litologías y sus estructuras secundarias típicas
Ejemplificando el caso de la meteorización sobre macizos graníticos en ambientes áridos semiáridos, puede tomarse dimensión de la importancia de la meteorización analizando la secuencia de afectación de este tipo de unidades rocosas.
Modelado en granitos. Paisaje resultante de la acción combinada de meteorización y erosión
3►
Corte transversal del modelado granítico. A partir de: Pedraza G., J. 1996. Geomorfología. Principios, métodos y aplicaciones. Ed. Rueda. Madrid.
▲ Residuo en superficie de la alteración de un macizo granítico
◄ Afloramiento de un macizo granítico
Los relieves graníticos resultan de una serie de etapas según las cuales adoptan aspectos de domos y crestas y terminan como berrocales, bolos dispersos y zonas arenizadas. Los domos y crestones representan las formas primarias del paisaje granítico.
Su origen muestra clara relación con el diaclasado, desarrollándose progresivamente hacia los llamados berrocales. Las rocas graníticas son primero afectadas según las superficies de alteración que ofrece el diaclasado típico del granito y los resultados son bochones sub-esféricos separados unos de otro con la generación de un regolito al pie. Alteración progresiva en granitos diaclasados ►
Tomando como elemento de partida un paralelepípedo definido por tres juegos de diaclasas, resultan definidos tres tipos distintos de frentes de ataque: hacia los planos (descascarado de superficies), hacia las aristas (convergencia de dos planos: eliminación de cantos) y hacia los vértices (convergencia de tres planos: ángulos atacados desde tres frentes, redondeo de puntas).
▲ Bochones ◄ Aristas atacadas desde tres frentes
Resultados de la alteración (detalle)
Aspecto del macizo alterado
Así entonces, los paralelepípedos originales evolucionan progresivamente hacia bochones primero, contenidos en la masa alterada, y luego en bloques esferoidales cada vez más aislados.
Categorías de alteración A los fines de valorar el grado de meteorización, se ha subdivido el estado en seis categorías, según su intensidad, que dan idea de la magnitud de pérdida de las propiedades originales del material del que se trate.
Meteorización: (rocas ígneas y conglomerados)
Aspecto de rocas meteorizadas en diferentes niveles
CALIDAD GEOTECNICA DEL MACIZO ROCOSO A medida que se fue sumando experiencia y que fueron incorporándose recursos tecnológicos, las estimaciones sobre la calidad de los macizos rocosos fueron aumentando en su grado de certidumbre. De métodos de tipo cualitativo (categorías jerárquicas: macizos rocosos más o menos débiles, en relación unos con otros) se pasó a categorías numéricas con valoraciones que permitían ingresar a fórmulas de cálculo de la calidad del macizo.
Entre 1946 (Terzaghi) y 1958 (Lauffer) se producen avances significativos que permiten pasar de los sistemas descriptivos a los cualitativos en los que se señala el comportamiento potencial de la roca.
Esto significó un gran avance dado que se disponía ya de una metodología para llegar a un diagnóstico que, si bien no era muy preciso, era lo suficientemente estricto como para efectuar estimaciones que antes no podían realizarse de manera sistemática. Se llegó así progresivamente a la elaboración de métodos encuadrados en una rutina de mediciones que conducían a resultados que permitían no solo la comparación de las calidades de la roca en distintas zonas de un mismo macizo sino incorporar parámetros numéricos. Esta incorporación de un sistema de medición condujo a jerarquizar cada vez más objetivamente las cualidades de la roca y por ende las precauciones y alternativas aconsejables en cada caso. Las diferentes metodologías comenzaron a incorporar nuevas variables, a medida que se detectaron las variables de mayor incidencia y que se pudieron utilizar nuevos recursos tecnológicos para su medición y monitoreo. Año 1964: Introducción del método del RQD en el estudio de macizos rocosos basado en el análisis de los testigos de perforaciones.
Un recurso muy interesante, a medida que se fueron perfeccionando los métodos de perforación en roca y se logró una buena recuperación de
testigos fue el RQD, que posibilitaba analizar la calidad de la roca según un eje de laboreo (un túnel, por ejemplo.
Almacenaje de testigos
Testigo obtenido en cada sondeo
◄ Sondeos de exploración de la calidad del macizo rocoso según la dirección de avance de un túnel
El índice R.Q.D. (Rock Quality Designation) fue propuesto por Deere en 1964 y permite obtener un valor cuantitativo de la calidad del macizo rocoso a partir de los materiales recuperados de una perforación rotativa en roca. Inicialmente, fue definido mediante la recuperación de testigos de una perforación, comprobándose luego que también se adapta a la medición del espaciamiento de discontinuidades según líneas de medición en superficies rocosas expuestas (línea de medición o scan line) El R.Q.D. es definido como el porcentaje de testigo recuperado en piezas intactas de 0,1m de longitud (o más) con respecto a la longitud total del sondeo, o bien los bloques de roca intacta de 0,1m (o mayores) en la longitud total de la línea de medición, que no es otra cosa que el eje de la perforación (scanline). Se fue ensayando la aplicación hasta que se fijó que un trozo de testigo de perforación de una longitud mayor a 0,1m de longitud equivale a esa misma
distancia entre fracturas. Cuando los trozos de testigo son menores, se toma que la roca está triturada, entre la base del testigo superior y el inicio del testigo siguiente. Testigo recuperado en perforación:
Experimentalmente, se verifica que para cualquier combinación de espaciamientos de discontinuidades en un macizo rocoso (uniforme, agrupado, al azar), se obtiene una curva de distribución exponencial negativa para los valores de frecuencia-espaciamiento. Esta distribución permite obtener una relación entre el RQD y la frecuencia media de discontinuidades por metro (λ) igual a:
Experimentalmente, esta fórmula coincide en sus resultados con los valores medidos en campaña en un valor de +/- 5%. Esto implica que el valor del RQD puede ser obtenido con una aproximación del 5% simplemente contando las discontinuidades a lo largo de distintas direcciones y calculando la frecuencia λ. La frecuencia es estimada contando el número de discontinuidades que intersectan una línea de medición y dividiendo ese número por la longitud total de esa línea:
Una clasificación de macizos rocosos, según Bieniawski, debería: 1. Dividir comportamiento;
el
macizo
rocoso
en
grupos
semejantes,
de
similar
2. Proveer de una base para la comprensión de las características del macizo; 3. Facilitar la planificación y el diseño de estructuras en roca, mediante la cuantificación de los datos requeridos, para solucionar problemas reales de ingeniería. 4. Proveer de una base común de entendimiento profesionales y técnicos involucrados en problemas geotécnicos.
entre
todos
los
Para cumplir estos objetivos, Bieniawski propuso su Clasificación Geomecánica, que incorpora los siguientes parámetros: -
Rock Qualitiy Designation (RQD) Estado de meteorización de la roca (tablas) Resistencia a la compresión uniaxial (laboratorio) Espaciamiento (campo) Rumbo y buzamiento (campo) Apertura de discontinuidades (campo) Persistencia de discontinuidades (campo) Presencia de agua (campo)
Estos 8 parámetros han sido diferenciados en cinco clases que expresan la calidad del macizo entre muy bueno y muy malo (tablas) Las distintas clases tienen rangos de valores que difieren con los propuestos por la International Association of Geologic Engineering. Esto es normal para todas las clasificaciones, ya que cada una de ellas se basa en criterios teóricos y empíricos diferentes. Como cada parámetro contribuye en forma diferente al comportamiento del macizo, serán diferentes también las clases en que se encasillarán al mismo, por lo que el autor de la clasificación propuso un orden de
importancia, que permite arribar a un puntaje total para la clasificaci贸n general del macizo.
Diagrama de favorabilidad / desfavorabilidad de las estructuras superiores para un t煤nel
RCS = Resistencia a la compresi贸n simple MPa resistencia en megapascales
TABLAS DE BIENIAWSKI Seguidamente, se acompañan las tablas dirigidas a la evaluación expeditiva de macizos rocosos de Bieniawski (Goio, 2009): Tabla 1: Puntaje según el valor del R.Q.D. (A)
Tabla 2: Puntaje según resistencia a la Compresión Simple (B)
Tabla 3: Puntaje según espaciamiento de discontinuidades del juego más importante (C)
Tabla 4: Puntaje según las condiciones de las discontinuidades (D)
Tabla 5: Puntaje según las condiciones del agua subterránea (E)
Tabla 6: Corrección por la orientación de las discontinuidades (F)
Tabla 7: Categoría de la Clasificación Geomecánica
INFORMACION ADICIONAL PARA LA DESCRIPCION DE ROCAS Formación geológica El nombre de la formación geológica a la cual pertenece el suelo o roca en cuestión, debe ser buscado en los mapas geológicos del área. Son los geólogos los que han realizado esta designación y es como se conoce a la misma en el ámbito científico y geotécnico.
Cuadro estratigráfico Estratos rojos de la Formación Saldán
Edad La edad geológica de la formación debería referirse en términos de Sistema, Serie o Piso, o cualquier otra clasificación estratigráfica existente en la zona. Rellenos artificiales Pueden ser de dos tipos: * Rellenos ingenieriles * Rellenos no ingenieriles
Los rellenos ingenieriles Pueden ser suelos naturales excavados usados para terraplenes en obras de nivelación de terrenos, escombreras de minas, etc., es decir, el producto de la actividad de explotación de recursos. Se deben intentar clasificar de la misma manera que los depósitos naturales.
Los rellenos no-ingenieriles Son los provenientes de la acumulación de residuos, demolición de estructuras, volcamientos de desechos industriales, etc. Es de mucha importancia su descripción, incluyendo datos tales como: - Modo de origen. Se refiere a si el relleno se efectuó en capas compactadas, por un terraplén de avance, etc. - Presencia de grandes objetos. Pueden ser masas de mampostería u hormigón, o vigas de acero, etc. - Existencia de vacíos. Como es el caso de los rellenos urbanos, que suelen tapar parcialmente fosas, sótanos, tuberías, tanques subterráneos, pozos ciegos, etc. - Presencia de materiales químicos u orgánicos. Es el caso de algunas áreas rellenadas que pueden haber sido canteras abandonadas, donde se acumularon desperdicios químicos sólidos o líquidos.
- Presencia de materiales tóxicos. Ciertos ácidos enterrados pueden reaccionar con calizas o con el hormigón produciendo dióxido de carbono. La descomposición de plantas y restos de animales produce metano, amonio y otros gases tóxicos. Incluso el mismo material de relleno puede ser tóxico. - Antigüedad. La edad del depósito puede obtenerse o deducirse a partir de revistas o periódicos presentes en el relleno.
Efectos del relleno en los suelos y rocas adyacentes Los líquidos industriales que se producen por la percolación del agua de lluvia a través del relleno, pasan a las rocas subyacentes. Como resultado se produce una intensiva alteración de las mismas, que puede enmascarar su carácter original. Si estos líquidos alcanzan el agua freática, pueden contaminarla y variar su composición. BIBLIOGRAFIA Abril, E. G., 2014. Macizos Rocosos. Publicación didáctica versión digital. Geotecnia I, Laboratorio Area Geotecnia. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, UNC. Abril, E. G., 2001 - 2010. Macizos Rocosos. Serie Cuadernillos Didácticos, No 3/1. Geotecnia I, Laboratorio Area Geotecnia. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, UNC. Abril, E. G., 2002 - 2010. Macizos Rocosos: Evaluación de macizos rocosos. Serie Notas Breves, No 3/1. Geotecnia I, Lab. Area Geotecnia. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, UNC. Pedraza Gilsanz, J., 1996. Geomorfología. Principios, métodos y aplicaciones. Ed. Rueda, Madrid. Quintana C., E., 1991. Descripción del material rocoso. En: Geotecnia I. Temas de Trabajos Prácticos. Departamento de Construcciones Civiles. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Universidad Nacional de Córdoba. Pp 32-47. Suarez, J., 2013. Deslizamientos: Análisis Geotécnico. Cap 9. La Geología. Disp. en Internet en www.erosion.com.co Consulta efectuada en abril de 2016.