Caracterización Del Macizo Rocoso-Orbasa

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICA MECÁNICA DE ROCAS

CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO ROCOSO

DOCENTE: Ing. REYNALDO RODRÍGUEZ CRUZADO ALUMNOS:

BAZÁN SANTA CRUZ, Orlando FALCONI REYES, Alejandro HERRERA VENTURA, Albert SPELUCIN ESTELA, Jhennyfer TORRES CABRERA, Daniel TUESTA RABANAL, Julio Cajamarca, agosto de 2012


ÍNDICE ÍNDICE ....................................................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 2 I.

CARACTERIZACIÓN DE LA MATRIZ ROCOSA .................................................... 3 1.1.

Litología. .................................................................................................................. 3

1.2.

Meteorización ........................................................................................................... 5

1.3.

Propiedades Físicas: ................................................................................................. 6

1.4.

Propiedades elásticas ................................................................................................ 7

1.5.

Propiedades Mecánicas ............................................................................................ 7

II.

CARACTERIZACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES ....................................... 11 2.1.

Tipo de discontinuidades ........................................................................................ 11

2.2.

Orientación ............................................................................................................. 14

2.3.

Espaciado ............................................................................................................... 14

2.4.

Persistencia ............................................................................................................. 15

2.5.

Rugosidad ............................................................................................................... 15

2.6.

Abertura .................................................................................................................. 16

2.7.

Relleno ................................................................................................................... 16

2.8.

Resistencia a las paredes de la discontinuidad ....................................................... 17

2.9.

Filtraciones ............................................................................................................. 17

III.

CARACTERIZACIÓN DE AFLORAMIENTOS ..................................................... 18

3.1.

Tamaño de bloque y grado de fracturación ............................................................ 18

3.2.

Grado de meteorización ......................................................................................... 21

3.3.

El índice de resistencia geológica, GSI .................................................................. 22

IV.

EL AGUA EN EL MACIZO ROCOSO .................................................................... 23

4.1.

El agua en el macizo rocoso ................................................................................... 23

4.2.

Parámetros hidráulicos. .......................................................................................... 25

4.3.

Efectos del agua sobre el comportamiento del macizo rocoso............................... 25

V.

IMPORTANCIA DE LA GEOFÍSICA ..................................................................... 26

MECÁNICA DE ROCAS

Página 1


INTRODUCCIÓN Para realizar cualquier trabajo ingenieril, como construcción de estructuras, sobre un macizo rocoso, es necesario conocer el comportamiento de éste y la respuesta que pueda ofrecer frente a dicha construcción; para lo cual una de las actividades principales que se debe realizar es la caracterización del macizo rocoso, considerando su grado de fracturamiento, grado de meteorización, además de las propiedades de la matriz rocosa como litología, meteorización y resistencia, y las propiedades de las discontinuidades como su espaciado, persistencia, rugosidad, abertura, relleno, filtraciones.

MECÁNICA DE ROCAS

Página 2


I.

CARACTERIZACIÓN DE LA MATRIZ ROCOSA

Se define Matriz Rocosa como el material rocoso sin discontinuidades o bloques de roca entre discontinuidades, la cual queda caracterizada en base a su origen, propiedades físicas y mecánicas. La descripción de la matriz rocosa con fines ingenieriles requiere la descripción de ciertos parámetros o propiedades con cierto grado de confiabilidad, la obtención de estos parámetros pueden ser mediante ensayos de campo o laboratorio.

1.1.

Litología.

La identificación de una roca se establece a partir de su composición, textura y estructura. A estos criterios descriptivos se unen las características genéticas, composición química y de las relaciones temporales y espaciales con otras rocas. Las observaciones más prácticas son:    

Composición mineralógica. Forma y tamaño de los granos. Color. Dureza.

Para la correcta observación de estas propiedades es necesario limpiar la roca, eliminando la capa superficial de alteración. La composición mineralógica permite clasificar litológicamente la roca. Los minerales más comunes que forman las rocas se pueden identificar a nivel de muestra de mano con una lupa. La identificación detallada de los minerales requiere un estudio petrográfico mediante lámina delgada, que se realizará siempre que existan dudas en la identificación de los mismos. Una vez descritos los minerales, se nombra y clasifica la roca. El sistema más recomendable se basa en clasificaciones geológicas orientadas hacia usos geotécnicos. En el Cuadro 2 – Gonzales de Vallejo 2002 se incluye la clasificación propuesta por la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM). La identificación de la roca se completa definiendo el tamaño de grano y el color. EI tamaño de grano hace referencia a las dimensiones medias de los minerales o fragmentos de roca que componen la matriz rocosa. En rocas de grano fino es útil la ayuda de una lupa de mano. EI tamaño de las partículas minerales que componen la roca puede ser homogéneo (rocas equigranulares) o presentar variaciones importantes (heterogranulares). Los términos utilizados y los intervalos de tamaño reconocidos internacionalmente son los indicados en el Cuadro1 Cuadro 1. Tamaño de grano

MECÁNICA DE ROCAS

Página 3

CARACTERIZACIÓN DEL MACIZO ROCOSO Cuadro 2. Clasificación de rocas para usos geotécnicos

EI color de una roca depende de los minerales que la componen. Algunos minerales tienen un color distintivo, pero frecuentemente contienen sustancias o impurezas que lo modifican. El color se puede describir de forma semejante al de los suelos, dando un color principal seguido de uno secundario e indicando, por último, la intensidad que presenta (por ejemplo, granito gris verdoso claro). La observación debe realizarse sobre la roca fresca, una vez retirada la capa superficial de alteración. La variación en la coloración puede afectar a todos los minerales constituyentes o solo a algunos, aspecto que ha de indicarse en la descripción. La dureza es una propiedad directamente relacionada con la resistencia, que depende de la composición mineralógica y del grado de alteración que afecte a la roca. Su descripción es cualitativa. Generalmente se adoptan como criterios la densidad y la resistencia de la roca, 3

estableciéndose el grado 1 para la roca menos densa y resistente (γ = 1,5 t/m y (σc = 50 kg/ 2

3

2

cm ) y el grado 14 para la más densa y resistente (γ = 2,7 t/m y (σc = 1.800 kg/cm ). Para evaluar la dureza de los minerales se emplea la escala de Mohs, que asigna un valor de 1 para el mineral más blando (talco) y un valor de 10 para el más duro (diamante).

MECÁNICA DE ROCAS

Página 4


Cuadro 3. Escala de Dureza de Mohs Dureza Mineral

Comentario

Composición química

1

Talco

Se puede rayar fácilmente con la uña

Mg3Si4O10(OH)2

2

Yeso

Se puede rayar con la uña con más dificultad

CaSO4·2H2O

3

Calcita

Se puede rayar con una moneda de cobre

CaCO3

4

Fluorita

Se puede rayar con un cuchillo de acero

CaF2

5

Apatito

Se puede rayar difícilmente con un cuchillo

Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)

6

Ortosa

Se puede rayar con una lija para el acero

KAlSi3O8

7

Cuarzo

Raya el vidrio

SiO2

8

Topacio

Rayado por herramientas de carburo de wolframio

Al2SiO4(OH-,F-)2

9

Corindón

Rayado por herramientas de carburo de Silicio

Al2O3

10

Diamante

El más duro, no se altera con nada excepto otro diamante .

C

10

Grafeno

El más duro, no se altera con nada excepto otro grafito.

1.2.

Meteorización

EI grado de meteorización de la roca es un parámetro importante ya que que condiciona sus propiedades mecánicas. Según avanza el proceso de meteorización aumentan la porosidad, permeabilidad y deformabilidad del material rocoso, al tiempo que disminuye su resistencia. La identificación del estado o grado de meteorización de la matriz rocosa se puede realizar de forma sistemática a partir índices normalizados propuestos por la Sociedad Internacional de Cuadro 4. Grado de meteorización (ISMR, BS 5930 - 1981)

*Admiten grados: ligeramente (< 10%), moderadamente (<35%), altamente (<75%), extremadamente (<75%) Las condiciones climáticas son el principal agente en la meteorización, y el aspecto que ofrecen las rocas meteorizadas varía para las distintas regiones climáticas. En la Imagen 1 se presentan algunos ejemplos mostrando diferentes grados de meteorización de la matriz rocosa. Los distintos tipos de rocas son afectados desigualmente por los procesos de meteorización, siendo éstos más intensos cuanto mayor es el tiempo de exposición a los agentes atmosféricos. Los procesos de meteorización física más comunes son aquellos influenciados por la temperatura y la humedad generando efectos de disgregación y desintegración de la roca; mientras que los procesos de meteorización química están influenciados por la presencia de agua y temperatura generando efectos de disgregación y disolución; y los procesos de meteorización biológica generan a su vez destrucción, figuración y descomposición.

MECÁNICA DE ROCAS

Página 5


b

a

c Imagen 1. Diferentes grados de meteorización de matriz rocosa granítica. a) roca ligeramente decolorada, con cambios en el color original de la matriz rocosa; b) roca desintegrada, alterada al estado de suelo, manteniendo la fábrica original; c) roca descompuesta

1.3.

Propiedades Físicas:

Cuadro 5. Valores típicos de propiedades físicas de las rocas

MECÁNICA DE ROCAS

Página 6


Cuadro 6. Ángulo de friccion y cohesion por tipo de roca

1.4.

Propiedades elásticas Cuadro 7. Módulo de Elasticidad en algunas Rocas (Farmer, 1968)

1.5.

Propiedades Mecánicas

Parámetros que permiten caracterizar y clasificar la matriz rocosa: la resistencia (compresión simple), y el comportamiento frente a la deformación (módulo de Young, coeficiente de Poisson). Resistencia a la comprensión La resistencia determina la competencia de la matriz rocosa para mantener unidos sus componentes, y depende fundamentalmente de su composición mineral y del grado de alteración. La resistencia de la matriz rocosa puede ser estimada en el afloramiento mediante índices de campo o a partir de correlaciones con datos proporcionados por sencillos ensayos de campo, como el ensayo de carga puntual PLT o el martillo Schmidt o de comprensión uniaxial, además de los ensayos mecánicos y de comprensión uniaxial obtenidos en laboratorio.

MECÁNICA DE ROCAS

Página 7


a. Índices de campo: Resistencia a la comprensión Uniaxial (ISMR): Es una aproximación del valor de dicho parámetro, basado en la valoración de características cualitativas que permite estimar su valor cuantitativo del rango de resistencia de rocas y suelos. Para ello de debe limpiar la capa de alteración superficial, hacer pruebas con navaja, con picota y clasificar la resistencia de la roca de acuerdo con la tabla. Cuadro 8. Resistencia de la roca a partir de índices de campo (ISMR):

b. Ensayo con el esclerómetro o martillo Schmidt Es un ensayo sencillo de campo o laboratorio, que permite estimar la resistencia a la comprensión simple de la matriz rocosa y que también se aplica a discontinuidades. Se debe tener en cuenta algunas discontinuidades de aplicación como: en la roca matriz se debe evitar bloques pequeños o discontinuidades cercanas, y en superficies de discontinuidad aplicar directamente. El ensayo consiste en lanzar una masa mediante un muelle sobre un vástago en contacto con la roca, al golpear el vástago la roca rebota la masa y queda registrado el “número de rebote”. El “número de rebote” obtenido, junto con la densidad de la roca, se correlaciona con la simple (gráfico de Miller).

MECÁNICA DE ROCAS

Página 8


Imagen 2. Martillo Schdmith y su ábaco para estimar el valor de la resistencia a la comprensión de una roca.

c. Ensayo de carga puntual o ensayo PLT (Point Load Test) EI ensayo de carga puntual o de rotura entre puntas, PLT, permite obtener un índice, Is, correlacionable con la resistencia a compresión simple. Utilizando fragmentos de roca o testigos. Se aplica una carga puntual a un trozo de roca hasta su rotura y así obtener dicho índice Is = P / D2 El índice obtenido (Is) está relacionado con la resistencia a la compresión simple (σc); dicha relación para testigos de 50 mm es: σc = 23 Is, para otros diámetros existen gráficos de corrección. Cuadro 9. Clasificación de la Resistencia de la Matriz Rocosa-ISMR 1981 Bieniawski 1973.

1MPa = 10,2 Kp/ cm2 En ambos casos es recomendable tomar un número elevado de medidas y realizar su análisis estadístico. Con los valores de resistencia obtenidos con estos métodos se puede clasificar la matriz rocosa en base a los criterios del Cuadro 8

MECÁNICA DE ROCAS

Página 9


Cuadro 10. Mostrando Valores típicos de resistencia de la roca:

MECÁNICA DE ROCAS

Página 10


II.

CARACTERIZACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES

Las discontinuidades condicionan de una forma definitiva las propiedades y el comportamiento resistente, deformacional e hidráulico de los macizos rocosos. La resistencia al corte de las discontinuidades es el aspecto más importante en la determinación de la resistencia de los macizos rocosos duros fracturados, y para su estimación es necesario definir las características y propiedades de los planos de discontinuidad.

2.1.

Tipo de discontinuidades

El termino discontinuidad hace referencia a cualquier plano de separación en el macizo rocoso, pudiendo tener origen sedimentario, como las superficies de estratificación o laminación, diagenético o tectónico, como las diaclasas o las fallas. Los principales tipos de discontinuidades presentes en el macizo rocoso son: Planos de estratificación, dividen en capas o estratos a las rocas sedimentarias. Se trata de discontinuidades sistemáticas con una persistencia elevada, y cuyo espaciado oscila generalmente entre unos pocos centímetros y varios metros.

Imagen 3. Planos de estratificación, intercalación de lutitas y calizas, Fm-Pariatambo

Fallas, son discontinuidades singulares que corresponden a planos de rotura o fracturación con desplazamiento relativo entre los bloques, la extensión de las fallas pueden variar entre algunos metros y centenares de kilómetros. Pueden llevar asociadas zonas de debilidad denominadas “zonas de falla” o brechas, en las que en ocasiones no se pueden distinguir un plano neto de rotura. Imagen 4. Falla normal

MECÁNICA DE ROCAS

Página 11


Diaclasas, también denominadas juntas, son fracturadas que no han tenido desplazamiento y las que más comúnmente se presentan en el macizo rocoso. Son los planos de discontinuidad más frecuentes en los macizos rocosos. Atendiendo a su origen se distinguen varios tipos: -

Diaclasas de origen tectónico asociadas a plegamientos y a fallas.

Imagen 5. Familias de diaclasas asociadas a pliegues

-

Diaclasas en rocas ígneas formadas por contracción durante o después del emplazamiento del cuerpo ígneo. Presentan una disposición característica en tres familias ortogonales entre sí.

Imagen 6. Disyunción columnar basaltos con juntas verticales.

-

en

Diaclasas de relajación debidas a una reducción de la carga litostática. Se disponen subparalelamente a la superficie topográfica y su frecuencia disminuye en profundidad. Imagen 7. Fracturas de descompresión en macizos rocosos de granito

Planos de foliación o esquistosidad, se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la apariencia de hojas o láminas. También pueden ser de origen tectónico cuando aparecen en rocas que han sufrido una deformación importante, deponiéndose perpendicularmente a la dirección compresiva del máximo acortamiento.

MECÁNICA DE ROCAS

Imagen 8. Planos de esquistosidad en relación con pliegues

Página 12


Contactos litológicos, son planos singulares de separación entre diferentes litologías de un macizo rocoso. En el caso de las rocas sedimentarias tienen menor significación con respecto al comportamiento del macizo en su conjunto, incluyéndose en las superficies de estratificación. Sin embargo en las rocas ígneas tienes gran importancia sobre todo en el caso de los diques y de rocas filonianas.

Imagen 9. Contacto litológico entre la FmPariatambo y Fm-Yumagual

Venillas, Son rellenos de las fracturas con otros materiales.

Imagen 10. Venillas rellenas con óxidos

Pliegues, son estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados.

Imagen 11. Anticlinal recumbente, Fm-Carhuaz

MECÁNICA DE ROCAS

Página 13


2.2.

Orientación

Es la posición de la discontinuidad en el espacio y comúnmente es descrito por su rumbo y buzamiento. Cuando un grupo de discontinuidades se presentan con similar orientación o en otras palabras son aproximadamente paralelas, se dice que éstas forman un “sistema” o una “familia” de discontinuidades. La orientación relativa y el espaciado de las diferentes familias de un macizo rocoso definen la forma de los bloques que conforman el macizo. La orientación de las discontinuidades con respecto a las estructuras u obras de ingeniería condiciona la presencia de inestabilidades y roturas a su favor.

Imagen 12. Medida de Orientación de planos de discontinuidad

2.3.

Espaciado

Es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes de una misma familia. Éste determina el tamaño de los boques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tengan, los bloques serán más pequeños y cuanto más espaciado tengan, los bloques serán más grandes. El espaciado juega un papel muy importante en la permeabilidad del macizo rocoso. En general, la conductividad hidráulica referida a una determinada familia es inversamente Imagen 13. Espaciado de una familia de proporcional a su espaciado, siempre que la discontinuidades abertura de las discontinuidades individuales sea comparable. Cuadro 11. Descripción del espaciado, ISRM (1981)

MECÁNICA DE ROCAS

Página 14


2.4.

Persistencia

Es la extensión del plano de discontinuidad. Es importante destacar las familias más continuas, ya que por lo general serán éstas las que condicionen principalmente los planos de rotura del macizo rocoso. Cuanto menor sea la persistencia, el macizo rocoso será más estable y cuanto mayor sea ésta, será menos estable.

Imagen 14. Persistencia de una discontinuidad en un macizo rocoso

Cuadro 12. Clasificación de la persistencia, ISRM (1981)

2.5.

Rugosidad

Es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Determina su resistencia al corte, cuanto menor rugosidad tenga una discontinuidad, el macizo rocoso será menos competente y cuanto mayor sea ésta, el macizo rocoso será más competente.

Imagen 15. Diferencia entre una superficie poco rugosa u una superficie rugosa

El término rugosidad se emplea en sentido amplio para hacer referencia tanto a la ondulación de las superficies de discontinuidad, como a las irregularidades o rugosidades a pequeña escala de los planos, definidas en ocasiones como de 1ª y 2ª orden respectivamente.

Imagen 16. Diferencia entre rugosidad y ondulación

MECÁNICA DE ROCAS

Página 15


2.6.

Abertura

Es la separación entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de abierto que ésta presenta, cuando no existe relleno. A menor apertura, las condiciones del macizo rocoso serán mejores y a mayor apertura las condiciones serán más desfavorables. Este parámetro puede variar en las diferentes zonas del macizo rocoso: mientras que en la superficie la abertura puede ser elevada, al aumentar la profundidad ésta se reduce, pudiendo llegar a cerrarse.

Imagen 17. Abertura de una discontinuidad

Cuadro 13. Clasificación de la abertura, ISRM (1981)

2.7.

Relleno

Son los materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad. La presencia de relleno gobierna el comportamiento de la discontinuidad, por lo que deben ser reconocidos y descritos todos los aspectos referentes a sus propiedades y estado. Las características principales del relleno que deben describirse en el afloramiento son: su naturaleza, espesor o anchura, resistencia al corte y Imagen 18. Brecha de falla permeabilidad. Cuando los materiales son suaves, el macizo rocoso es menos competente y cuando éstos son más duros, ésta es más competente.

MECÁNICA DE ROCAS

Página 16


2.8.

Resistencia a las paredes de la discontinuidad

La resistencia de la pared de una discontinuidad influye en su resistencia al corte y en su deformabilidad. Depende del tipo de matriz rocosa, del grado de alteración y de la existencia o no de relleno. En discontinuidades sanas y limpias, la resistencia sería la misma de la matriz rocosa, pero generalmente es menor debido a la meteorización de las paredes: los procesos de alteración afectan en mayor grado a los planos de discontinuidad que a la matriz rocosa. La resistencia puede estimarse en campo con el martillo Schmidt, aplicándolo directamente sobre la discontinuidad o a partir de los índices de campo. En ambos casos las medidas deben realizarse sobre paredes representativas del estado de alteración de las discontinuidades, considerando también las discontinuidades más frecuentes o más significativas en el macizo rocoso.

2.9.

Filtraciones

EI agua en el interior de un macizo rocoso procede generalmente del flujo que circula por las discontinuidades (permeabilidad secundaria), aunque en ciertas rocas permeables las filtraciones a través de la matriz rocosa (permeabilidad primaria) pueden ser también importantes.

Cuadro 14. Descripción de un flujo de agua en discontinuidades con relleno y sin relleno

MECÁNICA DE ROCAS

Página 17


III.

CARACTERIZACIÓN DE AFLORAMIENTOS

EI primer paso en el estudio de un afloramiento de un macizo rocoso debe ser la identificación del mismo y su descripción general y objetiva basados nomenclaturas y clasificaciones normalizadas. Posteriormente se dividirá en zonas o sectorización si el afloramiento es bastante amplio y la descripción más puntual de las mismas en forma sistemática, sin omitir información básica, para lo cual es muy útil realizar fotografías y dibujos esquemáticos del afloramiento, donde se pueden indicar las características básicas de cada zona.

3.1.

Tamaño de bloque y grado de fracturación

Es una de las clasificaciones que establecen el grado de calidad del macizo rocoso, proporcionando valores estimativos de sus propiedades resistentes. Y es así que el grado de fracturamiento es el que controla el tamaño y forma de los bloques que forman el macizo rocoso y éste a su vez condiciona de forma definitiva y sus propiedades resistentes y deformacionales del macizo. A. La descripción del tamaño de bloque se puede realizar de las siguientes formas:

Imagen 19. Descripción de los bloques en función al número de familias de discontinuidades

Mediante el índice de tamaño de bloque Ib, es el que representa las dimensiones medias de los bloques en el afloramiento. Ib = (Σ Si) / n (espaciado modal) [m] Ib = (e1 + e2 + e3)/3 (afloramiento con tres discontinuidades, incluido el plano de estratificación) Siendo e1 e2 y e3 los valores medios del espaciado de las tres familias de discontinuidades. Mediante el parámetro Jv, que representa el número total de discontinuidades que 3

interceptan una unidad de volumen (1 m ) del macizo rocoso. Ante la dificultad de observar tridimensionalmente un afloramiento, el valor de Jv se suele determinar contando las discontinuidades de cada familia que interceptan una longitud determinada, midiendo perpendicularmente a la dirección de cada una de las familias (o en su defecto realizando la corrección necesaria con respecto a la dirección aparente de medida): nº de discontinuidades JV =Σ ---------------------------------Longitud de medida (m3)

MECÁNICA DE ROCAS

Página 18


Por ejemplo, para un macizo con tres familias de discontinuidades (J1, J2 y J3): JV = (nº J1/L1) + (nº J2/L2) + (nº J3/L3) De forma más rápida, aunque menos exacta, también puede estimarse el valor de Jv contando el número total de discontinuidades que interceptan una longitud L en cualquier dirección de interés (cortando al mayor número posible de planos), correspondiendo este valor a la frecuencia de discontinuidades, λ: nº de discontinuidades λ = ---------------------------------L (m) El valor de Jv se relaciona con el tamaño de los bloques según el Cuadro 1; los valores mayores de 60 corresponden a un macizo rocoso brechificado. Cuadro 15. Descripción del tamaño de bloque en función del número de discontinuidades (ISRM, 1981)

El siguiente cuadro incluye una clasificación del macizo rocoso en función de la forma y tamaño del bloque y de la intensidad de fracturación. Cuadro 16. Clasificación de macizos rocosos en función del tamaño y forma de los bloques

Imagen 20. a) Bloques cúbicos pequeños formados por familias de discontinuidades ortogonales entre si en materiales margocalizos: b) bloques columnares grandes (de unos 3 m de altura) en un macizo volcánico con la parte inferior afectad a por un mayor grado de fracturación: (fotos L. G. de Vallejo.)

MECÁNICA DE ROCAS

Página 19


B. El grado de fracturamiento del macizo rocoso está definida por el número, espaciado y condiciones de las discontinuidades. EI grado de fracturación se expresa habitualmente por el valor del índice RQD (rock quality designation). En base a su valor se clasifica la calidad del macizo rocoso, tal como lo podemos ver en el siguiente cuadro. Cuadro 17. Clasificación de la calidad del macizo según el índice RQD (L. G. de Vallejo)

RQD%

CALIDAD

<25 25-50 50-75 75-90 90-100

Muy mala Mala Media Buena Muy buena

La estimación del índice RQD puede realizarse a partir de la frecuencia de discontinuidades que intersectan a una longitud L, λ, mediante la siguiente expresión que proporciona el valor teórico mínimo del RQD (Figura C: RQD ≈ 100 exp

-0,1 λ

(0,1 λ+ 1)

Donde: λ es la inversa del espaciado medio de las discontinuidades.

Imagen 21. Relación entre la frecuencia del espaciado y el índice RQD. (L. G. de Vallejo)

Cuadro 18. Clasificación del macizo rocoso según del tamaño y la forma del bloque (ISRM, 1981)

MECÁNICA DE ROCAS

Página 20


3.2.

Grado de meteorización

El grado de meteorización se emplea también para la clasificación cualitativa de los macizos rocosos, puesto que influyen de manera importante en sus propiedades de resistencia y deformación (porosidad ↑, permeabilidad ↑, deformabilidad ↑, resistencia ↓).  Factores internos: mineralogía, componentes, textura y estructura, (cada tipo de roca sufre unos procesos: presenta mayor o menor intensidad).  Factores externos: clima (temperatura, humedad, lluvia, viento), determina el tipo y la intensidad. Se realiza por observación directa del afloramiento y en comparación con los índices estándares. Siendo necesario en ocasiones fragmentar la roca para observar el grado de la meteorización de la matriz rocosa. Cuadro 19. Evaluación del grado de meteorización del macizo rocoso (ISRM, 1981) (L. G. de Vallejo)

En la siguiente figura. se presentan ejemplos de macizos rocosos afectados por diferentes grados de meteorización.

Imagen 22

Ejemplos de meteorización de macizos rocosos. a) Grado II: gneiss glandular con matriz rocosa y superficies de discontinuidad ligeramente decoloradas; b) y c) Grado III: macizos rocosos calizo y cuarcítico moderadamente meteorizados, con alteración en las superficies de discontinuidad y en los bloques de matriz rocosa; d) Grado IV: macizo cuarcítico muy meteorizado, con los bloques de matriz rocosa separados y muy alterados. (L. G. de Vallejo)

MECÁNICA DE ROCAS

Página 21


3.3.

El índice de resistencia geológica, GSI

El GSI es un sistema para la estimación de las propiedades geomecánicas del macizo rocoso a partir de observaciones geológicas de campo. En el cual se considera dos parámetros fundamentales: la condición Estructural del macizo rocoso y la condición Superficial del mismo. A nivel de estructura se tiene en cuenta el nivel de alteración que han sufrido las rocas, la unión que existe entre ellas(planos de fractura), que viene dada por las formas y aristas que presentan, así como de su cohesión. Para las condiciones de la superficie, se tiene en cuenta si ésta esta alterada y el grado de mismo, si ha sufrido erosión (lisa) o no (rugosa) o qué tipo de textura presenta, y el tipo de recubrimiento existente. Cuadro 20. Estimación del GSI del macizo rocoso, basado en observaciones geológicas, según el grado de fracturamiento y resistencia. (Extraído de Hoek et al., 2002.)

MECÁNICA DE ROCAS

Página 22


IV.

EL AGUA EN EL MACIZO ROCOSO

4.1.

El agua en el macizo rocoso

La presencia de agua en los huecos de la roca (poros y/o fisuras) modifica el comportamiento geomecánico al alterar la estabilidad y facilitar el movimiento de las masas rocosas; papel esencial juegan las discontinuidades estructurales (diaclasas, fallas, esquistosidad, planos de estratificación) al ser planos de debilidad del macizo que facilitan el almacenamiento y la circulación del agua, que actúa como “lubricante” facilitando y acelerando el movimiento de bloques. Muy importante es la conexión hidráulica entre el agua subterránea y el agua superficial en la zona de recarga, pues aumenta el flujo de agua capaz de provocar erosión y disolución de materiales. El hombre influye en el agua de dos formas distintas (Falkenmark, 1988): - directamente, modificando el régimen de circulación y la calidad de las aguas mediante extracción, vertido de aguas residuales, regulación fluvial, etc. - Indirectamente, alterando la vegetación y la cobertura del suelo mediante actividades relacionadas con el uso del terreno, lo que modifica la circulación del agua en el macizo rocoso y su calidad. Para la modelación del comportamiento de un macizo rocoso fisurado hay que tener en cuenta que es contraproducente emplear valores de permeabilidad promedio, pues será una variable abstracta que de poco servirá al considerar al macizo de roca como si fuera un material sedimentario homogéneo. Por tanto, habrá que determinar la permeabilidad por fisuras ya que puede haber flujos importantes a través de las mismas, aún cuando la permeabilidad promedio del macizo sea pequeña, puesto que el comportamiento hidrológico - hidráulico del macizo rocoso es heterogéneo. El nivel de impacto del recurso hídrico está en íntima relación con las zonas de permeabilidad más alta dentro de la masa de roca, y en tal sentido las herramientas técnicas para su evaluación no son compatibles con simplificaciones conceptuales en la simulación que se pueda realizar. Los medios rocosos fisurados son conjuntos macroscópicamente heterogéneos y anisótropos en cuanto a comportamiento hidráulico, aún en el caso de que se puedan considerar como homogéneos a escala pequeña o mediana (caso de fisuras pequeñas y muy densas).

Imagen 23. Sistema ideal debido a deformación frágil en un material poroso y permeable

MECÁNICA DE ROCAS

Página 23


Con frecuencia, las fracturas son estrechas y extensas, en otras ocasiones son de muy reducida extensión y aisladas, por lo que el movimiento del agua en las mismas es difícil (aún cuando la acumulación de agua en ellas sea importante) y su recarga deficiente. El comportamiento hidráulico de los macizos fisurados depende de una serie de factores: - Esfuerzos tectónicos: condicionan la existencia de todo tipo de fracturas (fallas, diaclasas, exfoliación, etc). - Acciones endógenas: dan lugar a diques, filones, intrusiones, etc., que unas veces favorecen y otras impiden el flujo del agua. - Clima: condiciona la alteración superficial de la roca y la formación de mantos permeables (alteritas); también, el que las fisuras estén o no rellenas de materiales poco permeables; si las fisuras se colmatan de materiales impermeables (arcillas por ejemplo) la permeabilidad del macizo rocoso se ve seriamente afectada. - Erosión: libera sobrecarga, produciendo descompresiones que crean fisuras nuevas y ensanchan las preexistentes. El movimiento del agua en los terrenos fracturados depende de una serie de factores: - Tipo de fracturas. - Frecuencia de las fracturas. - Anchura de las fracturas. - Orientación en el espacio de los planos de fracturas.

Imagen 24. Esquema de circulación del agua subterránea en una roca fracturada

MECÁNICA DE ROCAS

Página 24


4.2.

Parámetros hidráulicos.

Sirven para conocer el estado inicial del macizo rocoso y su capacidad para almacenar y transmitir el agua, y establecer el modelo real de comportamiento a partir de modelos simplificados. Tenemos los siguientes parámetros:

- Porosidad (m). La porosidad de un material viene expresada por la relación entre el volumen de su parte vacía u ocupada por aire y/o agua y su volumen total. Sin embargo el volumen de agua contenido en una roca que se libera por la acción de la gravedad, y que se denomina Ve (volumen de agua libre), está determinado por la porosidad eficaz me, es decir: me = (Ve/V)100

- Permeabilidad(k). En 1856 el ingeniero francés Henry Darcy descubrió la ley que regula el movimiento de las aguas subterráneas midiendo el caudal Q en función de la permeabilidad de los materiales estudiados. La Ley de Darcy se expresa como: Q = k A (h/l) Con k = coeficiente de permeabilidad Darcy (conductividad hidráulica), A = área de la sección de flujo del agua, h = diferencia de carga hidráulica entre la entrada y la salida de la vasija, l = recorrido que debe realizar el agua. - Transmisividad (T). La ley de Darcy ha sido expresada como Q = k A i. Ahora bien, si la sección A igual a la del acuífero tiene una longitud L y una altura b, tendremos A = b . L, y la ley de Darcy se puede escribir como Q = K . b . L . i. Al producto K . b se le llama transmisividad y se designa por T, quedando la ley de Darcy en la forma Q = T . L . i El concepto de transmisividad fue introducido por Theis en 1935, y se define como el caudal que se filtra a través de una franja vertical de terreno, de ancho unidad y de altura igual a la del manto permeable saturado bajo un gradiente unidad a una temperatura fija determinada.

4.3.

Efectos del agua sobre el comportamiento del macizo rocoso.

El agua influye en la respuesta geomecánica del macizo rocoso y, por tanto, en su respuesta a las fuerzas aplicadas y a los esfuerzos resultantes. Entre los efectos más significativos en este sentido cabe mencionar: - Juega un papel importante en la resistencia de las rocas blandas y de los materiales meteorizados.

MECÁNICA DE ROCAS

Página 25


- Reduce la resistencia de la matriz rocosa en rocas porosas. - Rellena las discontinuidades de los macizos rocosos e influye en su resistencia. - Las zonas alteradas y meteorizada, las discontinuidades importantes y las fallas son caminos preferentes para el flujo del agua. - Produce meteorización química y física en la matriz y en los macizos rocosos. La disolución en rocas carbonatadas puede originar conductos de dimensiones variables que afectan la estabilidad del macizo. - Es un agente erosivo muy importante.

V.

IMPORTANCIA DE LA GEOFÍSICA

Con el empleo de estos métodos es posible determinar la existencia de grietas que no son accesibles para la simple observación y establecer la relación existente entre el grado de fracturamiento del macizo, la velocidad de paso a través de él de las ondas elásticas; además es posible también obtener criterios sobre la estructura del macizo y sus partes y caracterizarlas cualitativamente. Los métodos geofísicos son muy efectivos cuando se combinan con el método geológico, pero además tiene un gran valor en su uso independiente, específicamente en aquellos casos en que los métodos geológicos y de producción, por las características o situación de la zona de estudio, no sea factible de aplicar. Además de con estos métodos es posible cubrir un área más extensa de estudio, aspecto muy favorable, en particular en la primera etapa de estudio. Principales utilidades que se da a los métodos geofísicos para la exploración del subsuelo: 

La medición de características geológicas (fallas, lechos de roca o bedrock, discontinuidades y espacios, y aguas subterráneas)



La determinación de las propiedades ingenieriles in situ (modulo de elasticidad, resistividad eléctrica, y en menor grado propiedades magnéticas y densidad).



La detección de características ocultas (tanques y tuberías enterradas y limites de rellenos).

Unos de los métodos más utilizados son los siguientes: Método Sísmico: Una de las formas de caracterización de los materiales del subsuelo mediante medidas realizadas en la superficie del terreno es la determinación de la velocidad de transmisión de una onda de compresión a través de los macizos rocosos. Esta velocidad (Vp ) depende directamente del grado de compacidad e integridad de los materiales a través de los que se

MECÁNICA DE ROCAS

Página 26


produce la propagación de la señal y por lo tanto es considerada como un indicador geomecánico. El método sísmico de refracción constituye la técnica geofísica más ampliamente utilizada para determinar la velocidad Vp característica de las diferentes capas del subsuelo y también el espesor de cada una de ellas hasta el rango de profundidad investigado en cada caso. Sus condiciones ideales de aplicación requieren en principio que la velocidad Vp de las diferentes capas del terreno aumente con la profundidad, al objeto de que puedan resolverse todas las capas significativas. No obstante, determinadas técnicas interpretativas permiten la caracterización de niveles con valores de Vp inferiores a los de los materiales situados a su techo, cuando la continuidad lateral de estos últimos es limitada. Posteriormente, a tenor de los resultados de este estudio y evaluando los puntos más desfavorables, se podría realizar los sondeos geotécnicos o las penetraciones dinámicas en dichos puntos potencialmente desfavorables. Otro objetivo de la sísmica de refracción es realizar un corte estratigráfico lineal entre puntos de sondeo.

Imagen 26. Geófono

MECÁNICA DE ROCAS

Imagen 25. Grafica que se obtiene de los geófonos

Página 27


Georadar o GPR: Método basado en el estudio de las reflexiones de las ondas electromagnéticas de alta frecuencia, las cuales penetran en el subsuelo reflejándose de manera diferente según las propiedades eléctricas de los materiales atravesados. El georadar es el método moderno de más éxito en investigaciones del subsuelo no invasivas, sin necesidad de realizar excavaciones, pudiendo incluso llegar a 10 metros de investigación. Este método permite realizar estudios en tiempo real para detectar tuberías, control de calidad de estructuras, vías, túneles, minas, carreteras, puentes y aeropuertos. También es usado para realizar estudios geológicos y geotécnicos de estratigrafía, batimetría en lagos y ríos, ubicación de acuíferos y mapeo kárstico entre otros.

Imagen 27. Georadar: abajo el emisor-receptor y arriba el ordenador-display donde se registra la señal.

Gravimetría En el caso de estar en un terreno con topografía plana, tendremos que cualquier anomalía de gravedad se deberá a desviaciones de la densidad del subsuelo respecto de la “densidad base”. En otras palabras, las anomalías gravitatorias son originadas por variaciones en la distribución de la densidad másica punto a punto (3D). Por otro lado, si la topografía es compleja, las anomalías de gravedad podrán estar relacionadas ya sea con la geometría del terreno y/o con la distribución de densidades. Aplicaciones: 

Ondulación de basamento y detección de estructuras en capas sedimentarias.



Localización de cavidades subterráneas, bien naturales (terrenos Karsticos) o bien artificiales (arqueología).



Estudio tectónico y cartografía geológica.



Etc.

MECÁNICA DE ROCAS

Página 28


Métodos Geoelectricos Los métodos geoeléctricos han sido utilizados en infinidad de aplicaciones y en la actualidad han tenido mucho éxito, permitiendo investigar la distribución de resistividades eléctricas medidas a partir de la conductividad eléctrica relativa de las rocas en ohmios en el subsuelo desde unos pocos metros hasta decenas de kilómetros. Dentro de la gran cantidad de aplicaciones podemos mencionar. -

Se basa en la inyección de corriente eléctrica al terreno para medir las diferencias de potencial obtenidas.

Aplicaciones: 

Detección de agua subterránea (acuíferos y corrientes subterráneas).



Investigación de depósitos de minerales (metálicos y no metálicos).



Determinación de intrusión salina en acuíferos costeros.



Detección de cavidades y fracturas.



Determinación de la estratigrafía del subsuelo.



Evaluación de bancos de materia (arena y grava).



Determinación de la profundidad al nivel freático.

Imagen 28. Resistivimetro IRIS Syscal

MECÁNICA DE ROCAS

Página 29


CONCLUSIONES La caracterización de la matriz rocosa es de suma importancia ya que permite tener una idea previa del tipo de comportamiento que puede presentar el macizo rocoso; pero no es una condición suficiente ya que muchas veces el macizo puede tener una matriz rocosa resistente, pero su configuración estructural es la que determina el comportamiento del macizo rocoso. Las discontinuidades condicionan de una forma definitiva las propiedades y el comportamiento resistente, deformacional e hidráulico de los macizos rocosos, por lo que es muy importante la caracterización de las mismas. La presencia de agua en un macizo rocoso ocasiona meteorización física y meteorización química, alterando la composición de la roca y disminuyendo su resistencia a esfuerzos geodinámicos El estudio del afloramiento es uno de los primeros pasos para la caracterización de las propiedades resistentes y deformaciones del macizo rocoso, siendo posible a través del estudio in-situ de la cantidad de familias de discontinuidades presentes, que indica su grado de fracturamiento y éste a su vez controla la forma y tamaño de los bloques del macizo. La geofísica es útil para realizar exploraciones en el subsuelo en grades extensiones y debido a que la exploración mediante perforaciones son muy costosas son una opción a mas bajos precios.

MECÁNICA DE ROCAS

Página 30

Caracterización Del Macizo Rocoso-Orbasa

Recommend Documents