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CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN ROCA Mecánica de Rocas Básica

DORIS LILIANA CIFUENTES Código: 296496 FELIPE ANDRÉS LIS RAMÍREZ Código: 296498 PABLO NARVÁEZ Código: 296502

Presentado a: Ing. JORGE PUERTO

MAESTRÍA EN INGENIERÍA – GEOTECNIA FACULTAD DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA BOGOTÁ D.C., 15 DE MAYO DE 2008

Cimentaciones Superficiales en Roca

1. INTRODUCCIÓN

Es común suponer que diseñar cimentaciones superficiales en roca es una tarea sencilla, que no requiere un cuidado especial porque se considera la roca como un material muy competente a la hora de soportar cargas, pero no siempre es así porque en cimentaciones como en muchas aplicaciones de la Mecánica de Rocas se deben tener en cuenta las particularidades del macizo rocoso. Por lo tanto diseñar cimentaciones en roca requiere una atención similar a mayor a la que se requiere cuando el material de fundación es un suelo. La capacidad portante y los asentamientos de un cimiento en roca son función de las características del macizo rocoso como la orientación, el espaciamiento, el espesor y el estado de las discontinuidades, cómo de la meteorización del macizo, entre otras propiedades de este. A grandes rasgos se puede decir que los métodos de diseño se dividen entre los que usan roca competente como material de fundación y las que no, como es de esperarse en estas últimas requieren un análisis más minucioso de las condiciones del macizo rocoso. Para algunos autores la Roca competente se define como aquella que se encuentra en un macizo con discontinuidades cerradas o abiertas con un ancho no mayor de 0.3 cm. (CCP, 1995); mientras que otros la definen como la masa de roca con espaciamiento entre las discontinuidades mayor a 0.3 m. (CGS, 1992) En este trabajo se abordarán inicialmente los métodos para determinar la capacidad portante y posteriormente el cálculo de los asentamientos.

2. DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD PORTANTE EN ROCA Cuando se usan cimentaciones superficiales en roca se busca un a presión admisible que evite una falla repentina del material de fundación, para hallar esta presión se puede recurrir a varios métodos que son función de la calidad de la masa rocosa. En la siguiente tabla se muestran diferentes metodologías para determinar la presión admisible en la roca. Aplicabilidad de los métodos para la determinación de la presión admisible en roca, CGS Pag. 155

Base del método diseño Descripción de la roca Resistencia de núcleos

Mecánica de Rocas Básica

de Calidad del Macizo rocoso Roca Sana o MR con discontinuidades separadas o muy separadas* MR con discontinuidades próximas, espaciadas y

1


Presurómetro Aproximación a la mecánica de suelos

muy espaciadas* Roca con baja o muy baja resistencia, MR con discontinuidades próximas a muy próximas* Roca de muy baja resistencia, MR con discontinuidades muy próximas*

* Ver definiciones de la siguiente tabla(CGS Tabla 3.5).

El método del presurómetro es similar al que se usa en suelos, además no se usa en nuestro medio, por ello no se profundizará en este trabajo sobre este método. Clasificación de los Espaciamientos Extremadamente próximas Muy próximas Próximas Moderadamente próximas Separadas Muy Separadas Extremadamente separadas

Espaciamient o (m) <0.02 0.02 - 0.06 0.06 – 0.20 0.2 – 0.6 0.6 – 2.0 2.0 – 6.0 > 6.0

Capacidad Portante en Roca Sana Método Manual de Fundaciones Canadiense El Manual de Fundaciones Canadienses considera una roca sana cuando el espaciamiento de las discontinuidades excede los 0.3 m. aunque esto incluye materiales rocosos muy débiles. Además del espaciamiento de las discontinuidades se debe: 

 

Identificar y mapear todas las discontinuidades en la zona de influencia de la cimentación, incluir la apertura de las diaclasas y fracturas. Buscar posibles orientaciones desfavorables Evaluar las propiedades mecánicas de esas discontinuidades (c’, Φ’), incluido su eventual relleno. Evaluar la resistencia del material rocoso.

La presión admisible de contacto se determina a partir de la siguiente expresión: q a = K sp ⋅ q u −núcleo

Donde:


2


qa = Presión admisible qu-núcleo = Promedio de la compresión inconfinada de las muestras de roca Ksp = coeficiente empírico, adimensional que incluye un factor de seguridad de 3, que varía entre 0.1 y 0.4. Ksp se puede determinar de gráficos como el siguiente que es válido para discontinuidades especiadas más de 300 mm y con una apertura de 5 mm (o 25 mm. si se encuentran llenas de suelo).

Determinación del coeficiente Ksp CGS Pag. 157

Método de Peck El qadm se determina a partir únicamente del RQD promedio de la roca dentro de una profundidad B (ancho del cimiento) por debajo del cimiento, a menos que el RQD bajo 0.5 B sea mucho menor que el antes considerado, en este caso se usa este último valor, el qadm se determina de la siguiente figura.


3


Presión de contacto admisible sobre roca con discontinuidades cerradas (Peck, 1974) CCP pag A.6-30

Cimentaciones sobre Roca Fracturada o Diaclasada En este caso se determina la influencia de las discontinuidades y de su estado mediante un coeficiente Nms que afecta la resistencia a la compresión inconfinada Co realizados sobre roca dentro de una profundidad de 2B medida desde la base de la zapata. En este caso se determina una resistencia última qult

qult = NmsCo


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Valores

del

coeficiente

Nms

RMR

para

Calidad MR

Descripción

NGI

Excelente

Roca Intacta, S>10 ft

100

500

Muy Buena

Roca inalterada, juntas rugosas, 3.0
85

Buena

Roca Fresca

estimar

la

capacidad

RQD

Gral

de

carga

última

de

Nms (**) A

B

C

D

E

95100

3.8

4.3

5

5.2

6.1

100

90-95

1.4

1.6

1.9

2

2.3

65

10

75-90

0.28

0.32

0.38

0.4

0.46

3.0
Regular

Roca con diferentes sistemas de discontinuidad moderadamente meteorizadas, 1.0
44

1

50-75

0.049

0.056

0.066

0.0069

0.081

Pobre

Roca con numerosas juntas meteorizadas 1.0
23

0.1

25-50

0.015

0.016

0.019

0.02

0.024

Muy Pobre

Roca con numerosas juntas muy meteorizadas, menos de 2 in

3

0.01

<25

Use qult para equivalente

una

masa de roca

cimentaciones sobre roca fracturada (Hoek, 1983), CPP pag. A.6-31

(**) Tipo de Roca Tipo Tipo Tipo Tipo Tipo

A: Roca Carbonácea con clivaje de los cristales bien desarrollado B: Rocas Arcillosas litificadas C: Rocas Arenosas cristalizadas con pobre clivaje D: Roca Cristalina ígnea de grano fino E: Roca Cristalina metamórfica e ígnea de grano grueso.

Método de Serrano y Olalla Serrano y Olalla plantean un método para la evaluación de capacidad portante de fundaciones superficiales en roca, en aquellos casos tanto en los que el medio rocoso es homogéneo e isótropo (es decir los grupos I, IV y V de Hoek y Brown mostrados en la Figura 1) como anisotrópico, asociado a una anisotropía interna y la debida al predominio de la familias de discontinuidades. Se adoptaron la siguiente suposiciones (a) comportamiento no lineal según el criterio de rotura de Hoek y Brown a través del macizo, (b) comportamiento de resistencia lineal a lo largo de los planos de debilidad definida por la cohesión y el ángulo de fricción interno.


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Figura 1. Influencia de la escala en el comportamiento del macizo rocoso para el diseño de cimentaciones superficiales.

Donde el criterio de Hoek y Brown es un criterio de rotura valido para macizos rocosos, empírico para evaluar la resistencia de la roca en condiciones triaxiales; tiene en cuenta los factores que determinan la rotura del medio rocoso a gran escala, como la no linealidad de los esfuerzos, la influencia del tipo de roca y del esfuerzo del macizo, la relación entre la resistencia a compresión y a tracción del macizo y otros. La resistencia del macizo queda definida por la expresión:

Donde • σ1 y σ3 son los esfuerzos principales mayor y menor. • σci es la resistencia a compresión simple de la matriz rocosa. • m y s son constantes adimensionales que dependen de las propiedades del macizo rocoso, del tipo de roca y de la frecuencia y características de las discontinuidades. Pueden obtenerse del partir de índice RMR. Para macizos sin alterar y no afectados por voladuras (undisturbed)

Para macizos alterados o afectados por voladuras (disturbed)


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- mi es el parámetro m para roca intacta, es una constante que depende la las propiedades de la roca, la cual se puede obtener de ensayos triaxiales, o de la bibliografía.

Figura 2. Envolvente de rotura del criterio de falla de Hoek y Brown.

Seis mecanismos de falla se presentan bajo una cimentación en roca que dependen de sus condiciones geomorfológicas y de resistencia, las cuales se mencionan a continuación.

(1) MI. Falla en el macizo en condición homogénea e isotrópica.

(2) M1. Falla comienza a traves de la roca bajo la cimentación, y termina a lo largo del plano de discontinuidad debida a su baja en la superficie libre. (3) M2. Falla comienza a lo largo del plano de debilidad bajo la fundación y termina a través de la roca en la superficie libre. (4) MC. Falla comienza en laroca bajo la cimentación, sigue a lo largo de planos de debilidad en el centro y termina a través de la roca en la superficie libre.


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(5) MS. Falla es completamente producida por el deslizamiento de una cuña a lo largo de un plano de discontinuidad.

(6) MD. Falla a lo largo de los planos de discontinuidad junto al desplazamiento de la cuña bajo la fundación. Para casos simplificados como lo es el mecanismo MI presentado anteriormente, La definición geométrica empleada se representa en la siguiente Figura 3.

Figura 3. Definición geométrica empleada para el mecanismo MI

Los parámetros relevantes pueden ser agrupados en tres categorías: geométricos, geomecánicos y condiciones de frontera. Geométricos: Se usan dos parámetros geométricos: α = inclinación de la superficie del terreno junto a la zapata, en la superficie libre ∙

∙

Geomecánicos: Referentes a la masa de roca: Los parámetros que determinan las caracteristicas de la falla: resistencia a compresión simple - σci y los parámetros m y s del criterio Hoek y Brown.

∙

Condiciones de frontera: σ1 es el esfuerzo vertical actuante en la frontera 1(superficie libre, cara externa de la fundación) y bajo la fundación (frontera 2) se tiene i2 que corresponde a la inclinación de la carga respecto a la vertical.


8


La expresión usada para calcular la capacidad portante es la siguiente, en la cual no se tiene en cuenta el efecto del peso propio del terreno.

En donde:

Nβ = coeficiente de carga, es una generalización de los parámetros N c y Nq de Prandtl, función de la inclinación del terreno, de la inclinación de la cargas y de la sobrecarga externa normalizada actuando alrededor de la fundación σ01*. Se proporcionan unas gráficas para el cálculo de capacidad portante para diferentes valores de i2 (desde 0° hasta 15°). (a)

(b)

Figura 4. Coeficiente de Capacidad portante (Nβ) como función de la carga externa σ1 y del ángulo de inclinación i2 (a) para i2 =0°, (b) i2 =15°


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3. ASENTAMIENTOS Los asentamientos de cimentaciones sobre roca dependen de la presencia, orientación y condición de discontinuidades así como el perfil de meteorización y otras características similares. Cimentaciones en roca competente: En cimentaciones sobre roca competente los asentamientos elásticos generalmente deben ser menores de 1.27cm (0.5 pulgadas) cuando las cimentaciones son diseñadas con la metodología de (Peck 1974). Si este asentamiento no es tolerable o si la roca no es competente, se debe efectuar un análisis de asentamientos con base en las características de la roca considerándola como una masa. Para masas de roca donde el asentamiento depende del tiempo (Consolidación) se podrá utilizar para el respectivo análisis la siguiente metodología: a. Para suelos Preconsolidados (

):

b. Para suelos Normalmente Consolidados (


):

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Cimentaciones sobre roca fracturada o diaclasada: Cuando no se cumple el criterio de roca competente, la influencia del tipo de roca, las condiciones de las discontinuidades y el grado de meteorización deben considerarse en los análisis de asentamiento. El asentamiento elástico de cimentaciones sobre roca fracturada o diaclasada se puede determinar usando las siguientes expresiones: -

Para zapatas de forma circular o cuadrada:

-

Para zapatas rectangulares:

Calculo del modulo de elasticidad del macizo rocoso : A. Teniendo en cuenta la frecuencia de las discontinuidades en función del valor RQD:


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B. (Bieniawski 1978), aplicación: macizos rocosos de buena calidad RMR> 55, no es valido para macizos rocosos de baja calidad.

C. (Serafim y Pereira 1995), aplicación: 10 < RMR <50, valido si (1
D. (Hoek 1995), aplicación: macizos rocosos débiles o blandos (

).

Para efectos de diseño preliminar o cuando no es posible obtener valores procedentes de ensayos puede obtenerse de las siguientes figuras:


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4. BIBLIOGRAFÍA 1. 2. 3.

CGS (1992), “Canadian Foundation Engineering Manual” 3rd. Toronto, Canadá AIS (1995), Código Colombiano de diseño sísmico de puentes” Ministerio de Transporte, Instituto Nacional de Vías GONZÁLEZ DE VALLEJO, L.I.; FERRER, M.; ORTUÑO, L. & OTEO, C. Ingeniería Geológica. Prentice Hall, Madrid. 2002.

4.

SERRANO A, OLALLA C. Ultimate Bearing Capacity of An Anisotropic Discontinuous Rock Mass. Part I: Basic Modes of Failure. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol. 35, No. 3, pp. 301-324, 1998.

5.

SERRANO A, OLALLA C. Utimate Bearing Capacity of An Anisotropic Discontinuous Rock Mass Part II: Determination Procedure. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol. 35, No. 3, pp. 325-348, 1998.


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