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MACIZO ROCOSO - DISEÑO Y CONSTRUCCION DE TUNELES

MACIZO ROCOSO MATRIZ ROCOSA Y DISCONTINUIDADES 1.- SUELO Y ROCA ........................................................... 2 2.- MATRIZ ROCOSA, DISCONTINUIDADES Y MACIZO ROCOSO...... 4 3.- PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LAS ROCAS.............. 6 3.1.- DENSIDAD y PESO ESPECÍFICO ................................................. 6

3.2.- POROSIDAD ........................................................................ 6

3.3.- PERMEABILIDAD ................................................................... 7

3.4.- DUREZA ............................................................................. 7

3.5.- RESISTENCIA A LA ABRASIÓN O DESGASTE ................................. 8

3.6.- RESISTENCIA A COMPRESIÓN .................................................. 8

3.7.- RESISTENCIA A TRACCIÓN..................................................... 10

3.8.- RESISTENCIA AL CORTE ........................................................ 11

3.9.- VELOCIDAD DE ONDAS ELÁSTICAS ........................................... 14

4.- DESCRIPCIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES ........................ 15 4.1.- TIPOS DE DISCONTINUIDADES ............................................... 15

4.2.- RESISTENCIA AL CORTE DE LAS DISCONTINUIDADES .................... 16

4.3.- CARACTERÍSTICAS DE LAS DISCONTINUIDADES........................... 17

BIBLIOGRAFÍA

SUELO y ROCA

1

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1.- SUELO Y ROCA Un SUELO, desde el punto de vista de la ingeniería geológica, es un agregado natural de partículas minerales unidas por fuerzas débiles de contacto, separables por medios mecánicos de poca energía o por agitación en agua. Los suelos corresponden, desde un punto de vista geológico, tanto a materiales originados por alteración (meteorización) de la roca subyacente (suelos residuales) como a sedimentos transportados y depositados por corrientes fluviales, glaciares, … (suelos transportados). Una ROCA es una agregado de minerales con nexo genético, que presenta los mismos caracteres de conjunto en una cierta extensión de la corteza terrestre. Desde el punto de vista de la ingeniería geológica, una ROCA es un agregado natural de partículas minerales, duro y compacto, con fuertes uniones cohesivas permanentes. Desde el punto de vista geológico, se distinguen tres tipos de rocas: ROCAS ÍGNEAS o MAGMÁTICAS, ROCAS SEDIMENTARIAS y ROCAS METAMÓRFICAS, que serán el objeto de los temas siguientes. Las ROCAS ÍGNEAS O MAGMÁTICAS se forman por la solidificación de masas fundidas (magmas) generadas en zonas profundas de la corteza terrestre. Dentro de ellas se distinguen: Rocas Plutónicas, Rocas Filonianas y Rocas Volcánicas Lávicas y Piroclásticas. Las ROCAS SEDIMENTARIAS se forman sobre la superficie terrestre por la acumulación de sedimentos, ya sea por depósito mecánico o decantación física, ya sea por precipitación química. El primer caso da lugar a Rocas Detríticas y el segundo a Rocas Químicas. Las ROCAS METAMÓRFICAS se originan cuando cualquier tipo rocoso experimenta modificaciones mineralógicas y/o texturales debido a condiciones de temperatura y/o presión crecientes. Se distinguen Rocas de Metamorfismo Dinámico, de Metamorfismo Térmico y de Metamorfismo Termodinámico.

Las rocas se caracterizan por su MINERALOGÍA y TEXTURA. La MINERALOGÍA es la asociación de minerales constituyentes. La TEXTURA es la apariencia física de la roca, incluyendo las características geométricas o morfológicas de los cristales o granos minerales constituyentes y sus relaciones espaciales (tamaño de los cristales o granos, forma, grado de homogeneidad de tamaños,..). La textura varía según el ambiente genético de la roca, por lo que constituye un criterio muy útil de diferenciación.

Docente: Ing. Leonardo Peralta

UNSAAC

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Se diferencian cinco Tipos elementales de Textura (Figura 1):

Figura 1. Tipos generales de Textura.

 Textura

Secuencial

(Cristalina).

Constituida

por

cristales

minerales

formados

secuencialmente por cristalización a partir de un fundido magmático o por precipitación química a partir de una disolución acuosa. Es típica de rocas ígneas y de las rocas sedimentarias químicas. 

Textura Vítrea. Constituida por vidrio originado por el rápido enfriamiento de un fundido magmático. Es exclusiva de rocas ígneas volcánicas.

Docente: Ing. Leonardo Peralta

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

Textura Clástica. Constituida por clastos (fragmentos) de rocas o minerales, englobados en un material de nexo. Se da en las rocas sedimentarias detríticas y en las rocas volcánicas piroclásticas.



Textura Cristaloblástica. Constituida por cristales minerales desarrollados en un medio esencialmente sólido, por transformaciones de minerales preexistentes. Se presenta en rocas metamórficas. Las transformaciones sufridas incluyen esencialmente cambios en el tamaño y forma de los cristales originales y génesis de nuevos minerales.



Textura Deformada. Constituida por cristales o clastos deformados. Los minerales muestran evidencias de deformación dúctil o frágil (estiramientos, microfracturas,…) y adoptan orientaciones preferenciales. Se da en rocas tectonizadas. Otro término importante es la ESTRUCTURA o aspecto megascópico que presentan los

cuerpos rocosos a escala de afloramiento (morfología de los cuerpos rocosos).

2.- MATRIZ ROCOSA, DISCONTINUIDADES Y MACIZO ROCOSO Las masas rocosas se presentan en la naturaleza afectadas por una serie de SUPERFICIES DE DISCONTINUIDAD que separan bloques de roca (MATRIZ ROCOSA), formando los MACIZOS ROCOSOS (Figura 2).

Figura 2. Macizo Rocoso: Matriz Rocosa y Discontinuidades. Macizo rocoso, de naturaleza granítica, afectado por discontinuidades (fracturas).

Docente: Ing. Leonardo Peralta

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Una DISCONTINUIDAD es cualquier superficie, de origen mecánico o sedimentario, que separa o independiza bloques de roca (matriz rocosa) en un macizo rocoso. Los tipos de superficies de discontinuidad más importantes son las superficies de fractura, las superficies de estratificación y las superficies de foliación. Las discontinuidades constituyen superficies de debilidad que gobiernan, en la mayoría de los casos, el comportamiento geomecánico de los macizos, al condicionar su resistencia y los mecanismos y zonas de deformación y rotura. Permiten en muchos casos el flujo de agua, controlando el comportamiento hidráulico o hidrogeológico de los macizos y constituyendo, en consecuencia, vías preferentes de alteración de las rocas (METEORIZACIÓN). Mecánicamente, los MACIZOS ROCOSOS son medios heterogéneos, debido a la coexistencia de distintas litologías y/o distintos grados de alteración o contenido en agua , discontinuos, dada la presencia de superficies de discontinuidad, y anisótropos, como consecuencia de su carácter heterogéneo y discontinuo.

Al realizar obras sobre el terreno, se modifican las condiciones iniciales y las fuerzas que actúan sobre los macizos, tanto las internas debidas al propio peso o a las propiedades intrínsecas de los materiales, como las externas. Aparecen presiones intersticiales por modificaciones del flujo del agua en el macizo y de los niveles freáticos, se aplican cargas adicionales,... Estas modificaciones en el estado tensional, junto con las propiedades resistentes y deformacionales del macizo, controlan la respuesta mecánica y los modelos de deformación y rotura. Los factores geológicos que inciden en el comportamiento y en las propiedades mecánicas de un macizo son: (a) la litología y las propiedades de la matriz rocosa, (b) la estructura geológica y las discontinuidades presentes, (c) el estado tensional, (d) el grado de alteración o meteorización y (e) las condiciones hidrogeológicas. El estudio del comportamiento de un macizo rocoso requiere la caracterización y cuantificación de las propiedades físicas y mecánicas de la matriz rocosa y el análisis de las propiedades ligadas a la presencia de discontinuidades y al macizo rocoso en su conjunto. Las características de la matriz rocosa se obtienen mediante ensayos de laboratorio realizados sobre muestras tomadas del emplazamiento. Las propiedades ligadas al macizo rocoso se determinan mediante ensayos 'in situ', que permiten medir las propiedades de los macizos en su estado y condiciones naturales, a escalas representativas, y simular sobre el terreno situaciones a las que se puede ver sometido el macizo al realizar una obra.

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3.- PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LAS ROCAS 3.1.- DENSIDAD y PESO ESPECÍFICO La DENSIDAD es la relación entre la Masa y el Volumen de un material y el PESO ESPECÍFICO es el Peso por unidad de Volumen. Son valores directamente relacionados con la composición y la textura del material.

3.2.- POROSIDAD La POROSIDAD TOTAL (n) es el Volumen de poros existente en un material respecto al Volumen total del mismo (V poros + V partículas sólidas): n = (Vporos / Vtotal) x 100. La porosidad puede ser primaria (porosidad intergranular), es decir debida a la peculiar textura del material, a la ordenación de los componentes texturales del material, y/o secundaria, ligada a fisuras y/o a procesos de meteorización (alteración) sufridos por el macizo rocoso (Figura 3).



La porosidad primaria es propia del material y dependiente de sus características texturales: granulometría, homogeneidad o heterogeneidad granulométrica, morfología de las partículas componentes y disposición. La presentan fundamentalmente los materiales con textura clástica (textura constituida por fragmentos de minerales y/o rocas).



La porosidad secundaria depende de los procesos de fracturación y/o meteorización (alteración) que han afectado al macizo.

POROSIDAD PRIMARIA

POROSIDAD SECUNDARIA

Figura 3. Porosidad Primaria (Intergranular) y Porosidad Secundaria. La porosidad de una roca es inversamente proporcional a su resistencia y a su densidad y directamente proporcional a su deformabilidad.

Docente: Ing. Leonardo Peralta

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El Cuadro 1 incluye datos de POROSIDAD de diferentes rocas. ROCA

POROSIDAD (%)

ARENISCA

5 - 25

BASALTO

0,1 – 2

CALIZA

5 - 20

CUARCITA

0,1 – 0,5

Cuadro 1. Relación de valores medios de

GABRO

0,1 – 0,2

GNEIS

0,5 – 1,5

Porosidad de algunas rocas.

GRANITO

0,5 – 1,5

MÁRMOL

0,3 - 2

PIZARRA

0,1 - 1

3.3.- PERMEABILIDAD La PERMEABILIDAD (K) es la propiedad de los materiales de permitir la circulación de un fluido a través de ellos (Figura 4). Físicamente, es la cantidad de agua que puede atravesar por unidad de tiempo una sección de superficie unidad, bajo un gradiente hidráulico unitario. Sus dimensiones son las de una velocidad (m/día y cm/seg). Esta propiedad está relacionada con la porosidad (volumen y tamaño de poros y fracturas y grado de conexión). Un material para ser permeable debe ser poroso, pero además debe permitir la circulación del agua a su través. La Permeabilidad implica Porosidad, pero no al contrario.

MATERIAL PERMEABLE (Porosidad Primaria)

MATERIAL PERMEABLE (Porosidad Secundaria)

Figura 4. Permeabilidad en relación con Porosidad primaria y secundaria.

3.4.- DUREZA La DUREZA es una propiedad que determina la respuesta mecánica de las rocas frente a fuerzas externas y está directamente relacionada con la resistencia. Depende de la composición mineralógica y de la cohesión de la roca y del grado de alteración que presente. La prueba de dureza más extendida es la resistencia al rebote calculada con el martillo de Schmidt o Esclerómetro, cuyos resultados se correlacionan con la resistencia a compresión simple, permitiendo obtener una estimación de esta resistencia.

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3.5.- RESISTENCIA A LA ABRASIÓN O DESGASTE La ABRASIÓN es el desgaste, pulido o rayado que sufren las rocas por el impacto o la fricción de partículas. El ensayo de abrasividad más común es el Ensayo Los Angeles (destinado al análisis del desgaste que sufren los materiales a emplear en capas de rodadura para carreteras) .

3.6.- RESISTENCIA A COMPRESIÓN La RESISTENCIA A COMPRESIÓN es el máximo esfuerzo que soporta la roca sometida a compresión uniaxial, determinado sobre una probeta cilíndrica sin confinar en el laboratorio. La resistencia a compresión de la matriz rocosa se determina de forma precisa en laboratorio mediante el Ensayo de Compresión Simple o Uniaxial. También puede estimarse, de forma aproximada, a partir de los valores obtenidos en ensayos sencillos como el Ensayo de Carga Puntual (Ensayo Franklin) o el Martillo de Schmidt (Esclerómetro). El Ensayo de Compresión Simple o Uniaxial (Figura 5) consiste en aplicar una carga compresiva uniaxial sobre una probeta de roca, hasta provocar la rotura. En este ensayo, la relación de esfuerzos aplicados es:

1  0; 2 = 3 = 0 (sin confinamiento). El valor de la

resistencia a compresión viene dado por

c = Fc/A (Fuerza Compresiva aplicada /Área de

aplicación) y se expresa en Kp/cm2 o MPa.

Figura 5. Ensayo de Resistencia a Compresión Simple o Uniaxial.

En los ensayos convencionales, la variable de control es la Fuerza, cuya magnitud y velocidad de aplicación pueden ser controladas. El valor de la resistencia a compresión simple depende de las características propias del material (mineralogía, textura, densidad, porosidad, grado de alteración,…) y de factores dependientes de las condiciones del ensayo (velocidad de carga, forma y tamaño de la probeta, relación altura/diámetro, contenido en humedad,…). En relación con las condiciones del ensayo y con las características de la probeta (forma, tamaño y relación altura/diámetro) existen normas o recomendaciones específicas tanto para los ensayos de compresión como para los ensayos de tracción y de resistencia al corte (I.S.R.M. - Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas -, ...).

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Cuando se somete a carga la probeta, ésta va a sufrir deformación longitudinal o axial y deformación transversal. La primera está relacionada con la variación de altura que experimenta la probeta, dado que aumentos de carga suponen reducción de altura. La segunda está causada por el engrosamiento de la probeta, ya que a medida que disminuye la altura se produce un aumento de las dimensiones del diámetro. Durante el ensayo de compresión simple, pueden registrarse las deformaciones producidas y, a partir de las curvas esfuerzo – deformación, determinarse las constantes elásticas estáticas (Figura 6): MÓDULO DE YOUNG (E) (Módulo Elástico Estático) = Relación entre el esfuerzo y la deformación en la dirección de aplicación de los esfuerzos. COEFICIENTE DE POISSON ()= Relación entre la deformación transversal y la deformación longitudinal (según la dirección de la carga axial).

ax

ax = l/li Deformación Transversal t = t/ti Deformación Axial

l

ax (Kp/cm , MPa) =t /ax (adimensional)

E =

t

ax /

2

Figura 6. Módulo de Young (E) y Coeficiente de Poisson ( ).

El Cuadro 2 muestra una relación de valores de distintas rocas. ROCA

R. COMPRESIÓN (kp/cm2)

Módulo E (kg/cm2) (x105)



ARCILLAS

280 -

800

0,3 – 2,2

0,25 – 0,29

ARENISCA

300 – 2.000

0,3 – 6,1

0,10 – 0,40

BASALTO

800 – 3.500

3,2 – 10

0,19 – 0,38

CALIZA

600 – 2.000

1,5 – 9,0

0,12 – 0,33

CUARCITA

1.000 – 5.000

2,2 – 10

0,08 – 0,24

GABRO

1.800 – 3.000

1,0 – 6,5

0,12 – 0,20

GNEIS GRANITO

850 – 2.500

1,7 – 8,1

0,08 – 0,40

1.000 - 3.000

1,7 – 7,7

0,10 – 0,40 0,10 – 0,40

MÁRMOL

600 – 2.500

2,8 – 7,2

PIZARRA

900 – 2.500

0,5 – 3,0

YESO

100 -

1,5 – 3,6

400

Cuadro 2. Resistencia a Compresión, Módulo Elástico Estático y Coeficiente de Poisson de distintas rocas representativas (datos tomados de González de Vallejo et al., 2002).

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3.7.- RESISTENCIA A TRACCIÓN La RESISTENCIA A TRACCIÓN es el máximo esfuerzo tractivo que soporta la roca, determinado sobre una probeta cilíndrica en el laboratorio. Se determina mediante dos tipos de ensayos: Ensayo de Tracción Directa y Ensayo de Tracción Indirecta o Brasileño (Figura 7). Para su ejecución y para el tallado de las probetas, también existen normas específicas.

Figura 7. Esquemas del Ensayo de Tracción: Directa (izquierda) y de Tracción Indirecta (derecha).

En el Ensayo de Tracción Directa se mide directamente la resistencia a tracción uniaxial de un cilindro de roca. Se sujetan firmemente los extremos de la probeta y se aplica una fuerza tractiva uniaxial, en la dirección de mayor longitud de la misma, hasta conseguir la rotura. El valor

t se obtiene de la relación Ft /A (Fuerza Tractiva aplicada /Área de aplicación)

y se expresa en Kp/cm2 o MPa. En el Ensayo Brasileño se mide la resistencia a tracción indirectamente, aplicando esfuerzos compresivos sobre dos generatrices diametralmente opuestas del cilindro de roca. Se compresiva

aplica

una

sobre

el

carga

vertical

cilindro

colocado

horizontalmente, hasta conseguir la rotura (Figura 8).

Figura 8. Ensayo de Tracción Indirecta.

En este ensayo el valor de la resistencia a tracción se obtiene:

t = 2P/DL, siendo P

la carga que provoca la rotura y D y L el diámetro y la longitud de la probeta respectivamente. Se expresa en Kp/cm2 o MPa.

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El Cuadro 3 incluye datos de RESISTENCIA A TRACCIÓN de distintas rocas (Comparar con los valores de Resistencia a Compresión del Cuadro 2). ROCA

R. TRACCIÓN (kp/cm2)

ARCILLAS

15 - 200

ARENISCA

50 - 200

BASALTO

50 - 250

CALIZA

40 - 300

CUARCITA

100 – 300

GABRO

140 - 300

GNEIS

50 - 200

GRANITO

70 - 250

MÁRMOL

65 - 200

PIZARRA

70 - 200

YESO

10 - 25

Cuadro 3. Resistencia a Tracción de distintas rocas (datos de González de Vallejo et al., 2002).

3.8.- RESISTENCIA AL CORTE La RESISTENCIA AL CORTE de una roca es su resistencia a la rotura bajo un estado triaxial de esfuerzos. Constituye la característica fundamental a la que se asocia la capacidad de los suelos y rocas de adaptarse a las cargas que actúan sobre ellos sin que se produzca rotura. Es función de las fuerzas cohesivas y friccionales del material. Los parámetros que definen la resistencia al corte de una roca son:  COHESIÓN (c): Fuerza de unión entre las partículas minerales que componen la roca.  ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNA ( ): Ángulo de rozamiento entre dos planos de la roca. Para su determinación se realiza el Ensayo de Compresión Triaxial (Figura 9). Este ensayo reproduce las condiciones de las rocas in situ, sometidas a esfuerzos confinantes, por lo que es el que mejor reconstruye el estado tensional al que están sometidas las rocas en su contexto real. Permite determinar la envolvente o línea de resistencia del material ensayado, a partir de la que se obtienen los valores de sus parámetros resistentes: cohesión (c) y fricción interna (). El procedimiento consiste en someter las probetas seleccionadas a una presión de confinamiento lateral homogénea (23), que se mantiene constante durante todo el ensayo, y a una presión vertical o axial (1) que irá en aumento hasta que se produzca la rotura.

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Inicialmente se aplican la carga axial y la presión confinante de forma simultánea. Una vez alcanzado el nivel de presión confinante deseado, se mantiene constante y se continúa aplicando la carga axial hasta conseguir la rotura de la probeta. El confinamiento lateral se obtiene mediante la aplicación de presión hidráulica uniforme alrededor de la probeta, utilizando para ello agua o aceite. La probeta se aísla del fluido mediante una membrana impermeable flexible, para evitar que penetre en la muestra y provoque o facilite su rotura.

1 1 CARGA AXIAL

3

23

3 Probeta

Entrada de fluido a presión

Figura 9. Ensayo de Compresión Triaxial. Esquema del ensayo y Equipo. El ensayo se repite sobre un mínimo de tres probetas, variando la presión confinante 3, y en cada ensayo se registran la carga o esfuerzo axial (1) y la deformación axial (ax). A partir de las curvas esfuerzo – deformación obtenidas en cada ensayo, se toman los valores de la máxima carga axial y de las presiones de confinamiento y se representan gráficamente los correspondientes Círculos de Mohr (Figura 10). La tangente a los círculos representa la Envolvente de Rotura del material ensayado y proporciona los valores de c y

 representativos del material (Cuadro 4).

La cohesión es la ordenada en el origen de la recta y el valor del ángulo de fricción o rozamiento interno es el ángulo que forma la envolvente con la horizontal.

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La interpretación de los resultados de este ensayo se basa en la aplicación del criterio de rotura de Mohr – Coulomb. Este criterio expresa la Resistencia al Corte a lo largo de un plano en un estado triaxial de esfuerzos, obteniéndose la relación entre los esfuerzos normal

n

y tangencial

actuantes en el momento de la rotura mediante la expresión:  = c + n tag  . Ensayo 1. Presión de

Ensayo 2. Presión de

Confinamiento 3

Confinamiento 3’

Ensayo 3. Presión de Confinamiento 3’’

 1’’

 1’ ESFUERZO AXIAL

1



( )

DEFORMACIÓN AXIAL



c

(ax)



 = c + n tag 

3

3'

 1'

1 3’’

1’’

n

Figura 10. Procedimiento de obtención de c y  a partir de ensayos triaxiales. ROCA

COHESIÓN (kp/cm2)

FRICCIÓN (grados)

ARENISCA

80 – 350

30 - 50

BASALTO

200 – 600

48 - 55

50 – 400

35 - 50

250 – 700

40 - 55

300

35

CALIZA CUARCITA GABRO GNEIS

150 – 400

30 - 40

GRANITO

150 – 500

45 - 58

MÁRMOL

150 – 350

35 - 45

PIZARRA

100 – 500

40 - 55

YESO

-

30

Cuadro 4. Cohesión y Fricción de distintas rocas (datos tomados de González de Vallejo et al., 2002).

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3.9.- VELOCIDAD DE ONDAS ELÁSTICAS La VELOCIDAD con que los materiales geológicos propagan las ondas elásticas depende de la densidad y de las propiedades elásticas del material. Está relacionada con las características mecánicas del material, su resistencia y su deformabilidad, y a partir de ella se calculan los módulos elásticos dinámicos:

Ed y d.

Esta velocidad es indicativa de la calidad de la roca, correlacionándose linealmente con la Resistencia a Compresión Simple. Su valor oscila entre 1.000 y 6.000 m/s en rocas sanas (Cuadro 5), sin alterar, reduciéndose en presencia de alteración y en función de la intensidad de la misma. ROCA

VELOCIDAD Vp (m/s)

Ed (Kg/cm2) (x105)

ARENISCAS

1.400 – 4.200

0,5 – 5,6

CALIZAS

2.500 – 6.000

0,8 – 9,9

CUARCITAS

5.000 – 6.500

DOLOMÍAS

5.000 – 6.000

2,2 – 8,6

GNEISES

3.100 – 5.500

2,5 – 10,5

GRANITOS

4.500 – 6.000

1,0 – 8,4

MARGAS

1.800 – 3.200

1,0 – 4,9

PIZARRAS

3.500 – 5.000

YESO

3.000 – 4.000

Cuadro 5. Velocidad de Propagación de ondas elásticas y Módulo Elástico Dinámico de distintas rocas (datos tomados de González de Vallejo et al., 2002). La amplitud de los rangos de variación se debe a la variabilidad de propiedades físicas (ej: porosidad) y al carácter anisótropo de algunas rocas.

Para la determinación de esta propiedad se realiza el Ensayo de Velocidad (Figura 11), consistente en medir el tiempo que tardan en atravesar una probeta de roca, seca o saturada, ondas elásticas longitudinales y transversales generadas desde un extremo de la misma.

Figura 11. Equipo del Ensayo de Velocidad de Propagación de Ondas Elásticas.

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4.- DESCRIPCIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES 4.1.- TIPOS DE DISCONTINUIDADES Las DISCONTINUIDADES son superficies o planos de separación en el macizo rocoso, de origen mecánico o sedimentario. Pueden ser sistemáticas, cuando aparecen en familias, o singulares, cuando aparece un único plano que atraviesa el macizo. Mientras que las discontinuidades sistemáticas quedan caracterizadas por una orientación media y por sus características generales, las discontinuidades singulares requieren una descripción particular y un tratamiento individualizado. TIPOS

DE

DISCONTINUIDADES: Superficies

de

Fractura

(diaclasas

y

fallas),

Superficies de Estratificación y Superficies de Foliación (Figura 12).

A

B

C

Figura 12. Tipos de Discontinuidades: (A) Fracturas, (B) Superficies de Estratificación y (C) Foliación.

SUPERFICIES DE FRACTURA (Figura 12A). Superficies de rotura provocadas en las rocas generalmente por la actuación de esfuerzos. Pueden tratarse de DIACLASAS (superficies de fractura sin desplazamiento relativo de los bloques) o de FALLAS (superficies de fractura con desplazamiento relativo de los bloques). Las primeras son discontinuidades sistemáticas

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mientras que las segundas son singulares. Pueden afectar a macizos de cualquier tipo: Ígneos, Sedimentarios y Metamórficos. SUPERFICIES DE ESTRATIFICACIÓN (Figura 12B). Superficies que limitan y separan los sucesivos cuerpos o estratos de rocas sedimentarias o de rocas metamórficas de procedencia sedimentaria. Son discontinuidades sistemáticas, con continuidad elevada y espaciados que oscilan de pocos centímetros a varios metros. Aparecen en Macizos Sedimentarios y Metamórficos. SUPERFICIES DE FOLIACIÓN (Figura 12C). Superficies presentes en rocas metamórficas en cuya génesis ha habido intervención de presiones. Son discontinuidades sistemáticas, generalmente de alta continuidad, alta frecuencia y espaciados milimétricos. Aparecen en Macizos Metamórficos de Rocas Foliadas. Tal y como se ha comentado en el segundo apartado de este tema, las discontinuidades constituyen superficies de debilidad que gobiernan el comportamiento geomecánico de los macizos, al condicionar su resistencia y los mecanismos y zonas de deformación y rotura. Permiten en muchos casos el flujo de agua, controlando el comportamiento hidráulico o hidrogeológico de los macizos rocosos y constituyendo, en consecuencia, vías preferentes de alteración de las rocas (METEORIZACIÓN).

4.2.- RESISTENCIA AL CORTE DE LAS DISCONTINUIDADES Las

discontinuidades

condicionan

de

forma

definitiva

las

propiedades

y

el

comportamiento resistente de los macizos rocosos. El aspecto más importante es su RESISTENCIA AL CORTE: Resistencia que ofrecen las discontinuidades a la rotura y al posterior desplazamiento a favor de las mismas. Depende de la fricción de los planos y de la cohesión. Esta propiedad se determina en laboratorio mediante el Ensayo de Resistencia al Corte, consistente en aplicar esfuerzos tangenciales



a una muestra de roca que contenga la

discontinuidad a ensayar, hasta provocar el desplazamiento relativo de las dos partes definidas por la misma (Figura 13). Durante el ensayo, la muestra se mantiene bajo los efectos de una carga normal constante

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n.

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Inicialmente se aplica la carga normal, hasta alcanzar el valor seleccionado para el ensayo, y a continuación se aplica el esfuerzo cortante, que irá aumentando gradualmente hasta que se produzca la rotura. El ensayo se repite con diferentes muestras con la misma discontinuidad a ensayar, variando la carga normal aplicada. A partir de los máximos esfuerzos de cizalla

 obtenidos en

los diferentes ensayos y de los valores correspondientes de carga

normal n, se obtienen los valores de cohesión

c y de fricción  de la discontinuidad ensayada.

n

n 



 n



 n

Figura 13. Esquema sintético del Ensayo de Resistencia al Corte.

4.3.- CARACTERÍSTICAS DE LAS DISCONTINUIDADES La descripción de las discontinuidades de un macizo rocoso incluye la definición de las siguientes características: NÚMERO DE FAMILIAS PRESENTES, ORIENTACIÓN, FORMA, ESPACIADO, CONTINUIDAD, RUGOSIDAD, APERTURA, RELLENO y RESISTENCIA DE LAS PAREDES. El número de familias presentes, su orientación espacial, su espaciado y su continuidad definen la forma y el tamaño de los bloques que conforman el macizo rocoso (Figura 14), condicionando su comportamiento geomecánico. La rugosidad, la apertura, el relleno y la resistencia de las paredes de las discontinuidades definen su resistencia al corte.

Docente: Ing. Leonardo Peralta

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Figura 14. Influencia del número de familias de discontinuidades presentes, de su orientación y de su espaciado en la forma y tamaño de los bloques resultantes en el macizo.

ORIENTACIÓN. La orientación de las discontinuidades en el espacio puede definirse de dos formas: por la dirección del plano de discontinuidad y por su buzamiento o por la dirección de buzamiento (dirección de la línea de máxima pendiente del plano) y buzamiento. FORMA. Las superficies de discontinuidad, a gran escala y a efectos de orientación y tratamiento, son asimilables a planos; aunque en detalle presenten formas onduladas o irregularidades superficiales (rugosidad). ESPACIADO. El espaciado es la distancia, medida perpendicularmente, entre dos planos de discontinuidad consecutivos de una misma familia. Da idea de la densidad con que se presenta cada familia en la zona estudiada. Influye en el comportamiento global del macizo y define el tamaño de los bloques de roca que lo conforman. Si el espaciado es pequeño, la resistencia del macizo disminuye de forma considerable, pudiendo en casos extremos presentar un comportamiento típico de materiales granulares. El espaciado entre discontinuidades también juega un papel fundamental en la permeabilidad del macizo rocoso. Para su descripción, la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM, 1981) recomienda la terminología del Cuadro 6.

Cuadro

6.

Descripción

Espaciado (ISRM, 1981).

Docente: Ing. Leonardo Peralta

del

ESPACIADO

Descripción

Inferior a 20 mm.

Extremadamente Juntas

20 – 60 mm.

Muy Juntas

60 – 200 mm.

Juntas

200 – 600 mm.

Moderadamente Juntas

600 – 2000 mm.

Separadas

2000 – 6000 mm.

Muy Separadas

Superior a 6000 mm.

Extremadamente Separadas

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CONTINUIDAD. La continuidad es la extensión o persistencia de la discontinuidad, tanto en superficie como en profundidad (Figura 15). Es un parámetro de difícil cuantificación a partir de la observación de los afloramientos. Es importante destacar las familias más continuas, ya que son las que condicionan los planos de rotura del macizo. El Cuadro 7 muestra la terminología recomendada por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM, 1981).

Figura 15. Ejemplos de distintos modelos de Continuidad de varias familias de discontinuidades (ISRM, 1981).

CONTINUIDAD Cuadro

7.

Descripción

Continuidad (ISRM, 1981).

de

la

Descripción

Muy Baja Continuidad

Inferior a 1 m.

Baja Continuidad

1 – 3 m.

Continuidad Media

3 – 10 m.

Alta Continuidad

10 – 20 m.

Muy Alta Continuidad

Superior a 20 m.

RUGOSIDAD. El término rugosidad engloba las ondulaciones de las superficies de discontinuidad y las irregularidades o rugosidades a pequeña escala, de modo que requiere dos escalas de observación (Figura 16): Escala decimétrica y métrica para evaluar la ondulación de las superficies: (superficies planas, onduladas y escalonadas) y Escala milimétrica y centimétrica para cuantificar el grado de rugosidad o irregularidad (superficies pulidas, lisas y rugosas). A mayor rugosidad, mayor resistencia al corte. RUGOSIDAD a escala métrica o decimétrica

RUGOSIDAD a escala milimétrica o centimétrica Figura 16. Ondulación y Rugosidad de una superficie de discontinuidad.

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La rugosidad puede controlar notablemente las posibles direcciones de desplazamiento en las discontinuidades, ya que gobierna la resistencia al corte de las distintas direcciones. En una discontinuidad rugosa, esta resistencia depende de la dirección del desplazamiento. Para la determinación de la rugosidad existen diversos métodos según la exactitud requerida, la escala de medida o la accesibilidad del afloramiento. Normalmente consisten en la comparación visual con perfiles estándar (Figura 17).

Figura 17. Perfiles estándar de Rugosidad (descripción cualitativa) y Perfiles tipo para la estimación del Coeficiente de Rugosidad de las discontinuidades (JRC) (ISRM, 1981).

APERTURA. La apertura se define como la distancia perpendicular existente entre las paredes de la discontinuidad, cuando no existe relleno. Este parámetro puede ser muy variable en diferentes zonas del macizo rocoso. La resistencia al corte decrece con el aumento de la apertura. El Cuadro 8 recoge la terminología de la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM, 1981).

Cuadro 8. Descripción de la Apertura (ISRM, 1981).

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APERTURA

Descripción

Muy Cerrada

0,1 mm.

Cerrada

0,1 – 0,25 mm.

Parcialmente abierta

0,25 – 0,5 mm.

Abierta

0,5 – 2,5 mm.

Moderadamente Ancha

2,5 – 10 mm.

Muy Ancha

1 – 10 cm.

Extremadamente Ancha

10 – 100 cm.

Cavernosa

Superior a 1 m.

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RELLENO. El relleno es el material de naturaleza distinta a la roca que aparece entre las paredes de una discontinuidad (Figura 18). Existe una gran diversidad de materiales de relleno cuyas propiedades físicas y mecánicas, como resistencia al corte, deformabilidad y permeabilidad, pueden ser muy variables y controlar

de

muy

diferente

forma

el

comportamiento de la discontinuidad. Figura 18. Fracturas con relleno de calcita.

RESISTENCIA DE LAS PAREDES DE LA DISCONTINUIDAD. La resistencia a compresión simple de las paredes de una discontinuidad influye en la resistencia al corte y en la deformabilidad de dicha superficie, sobre todo en ausencia de relleno o cuando aparece cerrada. Su valor suele ser inferior al de la roca intacta debido a la meteorización (alteración) de las paredes (las discontinuidades constituyen superficies preferentes de alteración). Este valor se obtiene a partir de datos tomados en campo con el martillo de Schmidt. FUENTES DE INFORMACIÓN González de Vallejo, L. et al. (2002). Ingeniería Geológica. Pearson Educación. Madrid. I.S.R.M. (1979). Suggested methods for determining the uniaxial compressive strength and deformability of rock materials. Int. Soc. Rock Mech. Commision on standarization of laboratory and field tests. International Journal of Rock Mechanics, Mining Sciences and Geomechanical Abstracts, 16. I.S.R.M. (1981). Rock characterization. Testing and monitoring. ISRM suggested methods. Brown, E. T. (Ed) Commision on testing and monitoring. International Society for Rock Mechanics. Pergamon Press. I.T.G.E. (1999). Manual de Campo para la descripción y caracterización de macizos rocosos en afloramientos. González Vallejo, L. y Ferrer, M. (Ed.). Instituto Tecnológico y Geominero de España. Madrid. López Marinas, J.M. y Lomoschitz Mora-Figueroa, A. (2008). Geología aplicada a la Ingeniería Civil. ed Ediciones. 4ª edición revisada y ampliada. Rodríguez Bouzo, L. (2002). Ensayos para determinar las propiedades mecánicas de suelos y rocas. En: Laderas y Taludes Inestables. Monografía del I Curso Extraordinario Laderas y Taludes Inestables. Llorente Isidro, M. (Ed). Universidad de Salamanca.

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