LEVANTAMIENTO GEOTÉCNICO DE LOS MACIZOS ROCOSOS. CONTENIDO 1. Introducción. 2. Características para descripción de los materiales. 3. Estructura del macizo rocoso, discontinuidad. 4. Características Características geomecánicas geomecánicas de las discontinuidades. discontinuidades. 5. Toma de datos en afloramientos de superficie. 6. Presentación e interpretación de datos.
LEANDRO ALEJANO-AL ALEJANO-A LVARO CASTRO. C ASTRO.
INTRODUCCIÓN La mayoría de los macizos rocosos, en particular aquellos situadas a pocos cientos de metros desde la superficie, presentan discontinuidades que determinan su comportamiento mecánico. Por lo tanto es esencial que la estructura de la masa rocosa y sus discontinuidades sean cuidadosamente descritas además de la descripción litológica del tipo de roca. Estos parámetros pueden ser usados para análisis de estabilidad y deben ser cuantificados siempre que sea posible.
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
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“Volumen de
terreno intervenido por el desarrollo una
obra de ingeniería y que está conformado por la matriz rocosa y por las discontinuidades. El macizo rocoso puede ser descrito y/o sectorizado de acuerdo con característica litológicas, estructurales o de otro orden geológico.” ISRM.
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O N A J E L A . L . O R T S A C . A
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Es el término general para un plano o zona de interrupción mecánica que tiene nula o baja resistencia a la tracción. Es el término colectivo para la mayoría de tipos de diaclasas, planos débiles, frágiles, esquistosidad y fallas. Los diez parámetros utilizados para definir las discontinuidades en masas rocosas son: 1.
Orientación — Posición para la discontinuidad en el espacio. Descrito por la
dirección del buzamiento (azimut) y el buzamiento para la línea más inclinada. Ejemplo: dirección de buzamiento / buzamiento ( 015º/35) 2.
Espaciado — Distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes.
Normalmente hace referencia a la media o moda de un conjunto de Diaclasas. 3.
Persistencia — Traza de la longitud de la discontinuidad observada en la
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exposición. Puede dar una medida del área extendida o de la longitud de penetración de la discontinuidad. Terminación en roca sólida o a través de otras discontinuidades reduce la persistencia.
5
4. Rugosidad — Inherente a la superficie de rugosidad y ondulación relativo al plano medio de la discontinuidad. Rugosidad y ondulación contribuyen a la resistencia al esfuerzo cortante. 5. Resistencia de las paredes — Equivalente al esfuerzo de compresión entre dos paredes adyacentes de roca de una discontinuidad. Puede ser mas baja que la resistencia del bloque rocoso, debido a la meteorización o alteración en las paredes. 6. Apertura — Distancia Perpendicular entre paredes adyacentes de la discontinuidad. 7. Relleno — Material que separa las paredes adyacentes de roca de la discontinuidad y que es usualmente más débil que las paredes de roca. Los materiales típicos de llenado son arena, milonita y arcilla. También incluyen delgados recubrimientos de estos minerales que llenan las discontinuidades, ejemplo cuarzo y venas de calcitas. 8. Flujo de Agua y humedades visibles en discontinuidades individuales o en el macizo como un todo. 9. Número de familias de discontinuidades. La masa de roca puede ser además dividida por discontinuidades individuales. 10. Tamaño del bloque — Dimensiones de bloques de roca debido a la orientación y espaciado de las familias de discontinuidades.
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CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES PARA DESCRIPCION DE LOS MATERIALES ROCOSOS EN GEOTECNIA ÁMBITO DE ESTUDIO Matriz rocosa
Discontinuidades
CARACTERÍSTICA O PROPIEDAD Identificación
MÉTODO
CLASIFICACIÓN
Observación visual y lupa
Clasificación geológica y geotécnica
Meteorización Resistencia
Observación visual Índices y ensayos de campo Medida con brújula Medidas de campo
Índices estándar Clasificaciones empíricas
Observaciones y medidas de campo Martillo Schmidt, observaciones de campo
Comparación con perfiles estándar Clasificaciones empíricas
Observaciones y medidas de campo
Índices estándar
Medidas de campo
Índices y clasificaciones estándar
Orientación Espaciado Continuidad Rugosidad Resistencia de las paredes
Macizo rocoso
Abertura Relleno Filtraciones Número de familias de discontinuidades Tamaño de bloque Intensidad de fracturación Grado de meteorización
Observaciones y medidas de campo
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Índices y clasificaciones estándar
Clasificaciones estándar
González de Vallejo, 2004.
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Descripción Intacto
Una Junta
Dos Juntas
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Muchas Juntas
8 Macizo Rocoso
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Juntas en dirección Juntas con buzamiento Juntas transversales
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Es una fractura de origen geológico en la continuidad del macizo rocoso, a lo largo del cual no hay desplazamientos visibles. Un grupo de diaclasas paralelas es llamado una familia de diaclasas, pueden ser abiertas, llenas o cizalladas, térmicas, foliadas, estratos, capas, grietas, etc. Es una fractura o una zona de fractura a lo largo de la cual hubo desplazamiento, desde pocos centímetros hasta kilómetros. En esta zona, la roca es fracturada o alterada y meteorizada.
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Es el conjunto de caracteres de origen estructural (superficies de discontinuidad, fallas, diaclasas, pliegues, etc,) que presenta el macizo rocoso, junto con sus características particulares e interrelaciones.
Escala 1 m
Escala 1 m
Escala 1 m
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12 MACIZO ROCOSO
ESTRUCTURA
Es cada zona del macizo rocoso, normalmente separada por discontinuidades, dentro de la cual la estructura es prácticamente homogénea. Es decir existen las mismas familias de discontinuidades.
Juntas en dirección Juntas con buzamiento Juntas transversales O N A J E L A . L . O R T S A C . A
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Juntas en dirección Juntas con buzamiento Juntas transversales
a)
b)
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Los Macizos Rocosos son: • •
• •
•
Continuous Homogeneous Isotropic Linear Elastic
• • • •
•
•
Discontinuous Inhomogeneous Anisotropic Non-
Elastic Scale-effected
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Escala 1 m
SONDEO
GALERÍA
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Conocer la estructura y atributos de los macizos rocosos y suelos relacionados con un trabajo de ingeniería.
•El ingeniero debe conocer la de un estudio geotécnico. •Las deben ser resueltas con la adecuada para realizar diseños constructivos que eviten consecuencias costosas ”. debido a •Al final las predicciones son comprobadas por la .
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Los medios con los que se cuenta para la realización de un estudio geotécnico son (en torno al 0’5, 1 o 2 % del coste total de ejecución de la obra):
Información bibliográfica ....................
1-2 %
Cartografía geológica + foto aérea ........... 6-15 % Geofísica..................................... 0-15 %
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Ensayos in-situ .............................. 5-15 % Ensayos de laboratorio ....................... 8-15 % Preparación de anejo geotécnico............... 4-20 %
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¡Una buena planificación disminuye los costos de un proyecto! 1
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5
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7
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Para abordar el modelo geológico y el modelo geotécnico del macizo rocosos involucrado en un talud deberemos abordar los siguientes aspectos: •Geología: estratigrafía, estructural y
geomorfología •Litología: tipos, contactos y distribución •Espesor y características del recubrimiento •Estructura del macizo rocoso •Parámetros resistentes y de deformación del macizo •Posición y movilidad del agua
Los medios para abordarlos son: •Investigación bibliográfica •Cartografía
geológico-geotécnica •Estudio hidrogeológico •Clasificaciones geomecánicas •Levantamiento o censo de discontinuidades •Técnicas geofísicas •Sondeos •Ensayos in-situ y de laboratorio
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Todas estas actividades están relacionadas pudiéndose establecer las siguientes fases de investigación: •FASE
1: Trabajos de campo básicos o preliminares que condicionan la calidad y economía del resto de la campaña de investigación •FASE
2: Prospecciones de campo
•FASE
3: Ensayos de laboratorio
•FASE
4: Interpretación y elaboración del modelo (trabajo de gabinete)
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ESTUDIO HIDROGEOLÓGICO
CARTOGRAFÍA GEOLÓGICOGEOTÉCNICA
CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA
ESTUDIO DE DISCONTINUIDADES
TÉCNICAS GEOFÍSICAS
SONDEOS
ENSAYOS “IN-SITU”
ENSAYOS DE LABORATORIO PROPIEDADES DE LAS ROCAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL MACIZO ROCOSO
MODELO GEOTÉCNICO
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FASE 1: Trabajos de campo básicos o preliminares que condicionan la calidad y economía del resto de la campaña de investigación: Cartografía geológico-geotécnica (1:1000) basada en la fotografía aérea, cartografía genérica (MAGNA 1:50.000) y cartografía de afloramientos. •FOTOGRAFÍA AÉREA: Informa
sobre geomorfología y recubrimientos, estructura de plegamiento y fracturación, reconocimiento de litologías. •CARTOGRAFÍA
GEOLÓGICA MAGNA: Informa sobre los litotipos, estratigrafía y aspectos estructurales generales de la zona de interés. •CARTOGRAFÍA
DE AFLORAMIENTOS: Lleva consigo un estudio muy detallado de campo que incluirá múltiples tareas.
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FOTOGRAFÍA AÉREA:
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Contactos Fallas
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CARTOGRAFÍA GEOLÓGICA (1: 50.000)
Zona de estudio
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•Estaciones
geomecánicas donde se hará:
•Definición
Imagen del Anticlinal 1 en el fondo de cantera
de litotipos
Contacto PizarraCaliza
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CARTOGRAFÍA DE AFLORAMIENTOS: Incluye: •Toma de datos del sustrato rocoso Clasificaciones geomecánicas (RMR y Q), resistencia de la roca r oca (carga puntual), grado de meteorización y espesor •Toma
de datos del recubrimiento Morfología, litología y espesor
•Tectónica
y estructura
Estratificación, esquistosidad, discontinuidades, etc. •Hidrogeología
Inventario de puntos de agua, evaluación de características hidrogeológicas del terreno •Estaciones
geomecánicas (relacionadas con cartografía)
•Definición
de litotipos
Agrupación por características mecánicas y litológicas similares, ensayos de carga puntual y martillo de Schmidt, y clasificación geomecánica. •Censo
de discontinuidades
Levantamiento de discontinuidades (Tipo, buz., y dir. de buz., cont., esp., JRC, JCS, relleno, agua), correlación diaclasas-fracturación regional y microestructuras. •Evaluación
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del estado tensional
A partir partir del análisis de microestructuras, orientación de minerales, foliaciones.. •Hidrogeología
Nº y extensión de acuiferos, permeabilidad de las rocas, isopiezas y
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CARTOGRAFÍA DE AFLORAMIENTOS:
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La geología es la base
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a) falla-pliegue
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La geología es la base
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b) pliegue
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La geología es la base
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d) Discordancia
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Hidrogeología Inventario de puntos de agua, evaluación de características
Plano: Observaciones
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Puntos de agua Grietas observables Casa Regato
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Se suele partir de la cartografía geológica. Definición de litotipos.
IGNEAS
Volcánicas Filonianas Intrusivas
Tipos de roca (ciclo geoquímico)
SEDIMENTARIAS
METAMÓRFICAS
Detríticas Carbonatadas Evaporíticas
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Metamorfismo regional 33 Metamorfismo de contacto Metamorfismo dinámico
Volcánicas IGNEAS
Tipos de roca
Lavas, dacita, basalto, dolerita, tobas vocánicas, obsidiana, riolita, andesita...
Filonianas
Pórfido, diabasa...
Intrusivas
Granito, granodiorita, gabro, peridotita, diorita ...
Detríticas SEDIMENTARIAS
Carbonatadas y orgánicas
Brecha, conglomerado, arenisca, lutita, argilita, limolita, grauvaca, pizarras sedimentarias ... Caliza micrítica, cristalina y esparítica, marga, dolomía, carbón ...
Evaporíticas
(ciclo geoquímico)
Anhidrita, sal, yeso ...
Metamorfismo regional
Pizarra, esquisto, gneiss, cuarcita, filita, migmatita, anfibolitas, granulitas ...
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METAMÓRFICAS
Metamorfismo de contacto Metamorfismo dinámico
Cuarcita, mármol, cornubianitas ...
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FACIES METAMORFICAS
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Diagrama en el que se relacionan las facies metamórficas con condiciones de presión, profundidad y temperatura. La línea 3 corresponde a un gradiente geotérmico elevado, en el que se produce un gran aumento de la temperatura a poca profundidad. Ocurre lo opuesto en la línea 1 (De Wikipedia).
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HEMICÍCLO ENDÓGENO
Materia orgánica
HEMICÍCLO EXÓGENO
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CARACTERÍSTICAS RESISTENTES DE ROCAS
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O medidas de martillo de Schmidt, point load index o ensayos de laboratorio
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CARACTERÍSTICAS RESISITENTES DE SUELOS Denominación
S1 S2 S3 S4 S5 S6
ARCILLA MUY BLANDA ARCILLA BLANDA ARCILLA FIRME ARCILLA RÍGIDA ARCILLA MUY RÍGIDA ARCILLA DURA
Reconocimiento
Penetra el puño varios cm. Penetra el pulgar Penetra el pulgar con algo de esfuerzo Penetra el pulgar con mucho esfuerzo Se entierra un clavo Se entierra un clavo difícilmente
c(MPa)
s
< 0,025 0,025-0,05 0,05-0,1 0,1-0,25 0,25-0,5
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0,5-1 38
METEORIZACIÓN: La meteorización está relacionada con la modificación que sufre la superficie de la roca y sus proximidades, en su estructura y composición debido a la acción de agentes atmosféricos. El grado de la meteorización dependerá de las condiciones climatológicas, morfológicas y la composición de la masa rocosa. La meteorización disminuye las características geomecánicas de las rocas (resistencia y deformabilidad) pudiendo llegar a originar suelos
Física
Meteorización
Mixta
Química
Erosión Gelifracción Acción de animales y plantas Variaciones bruscas de temperatura Oxidación Hidratación Hidrólisis Carbonatación
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METEORIZACIÓN: Se han creado una serie de escalas empíricas para el trabajo de campo, pero también se puede utilizar el martillo de geólogo o de Schmidt, o geofísica mediante velocidad de propagación de ondas.
GRANITO Grado
(Tabla de meteorización según Moye)
Denominación
I
SANA
II
SANA CON JUNTAS TEÑIDAS DE ÓXIDOS MODERADAMENTE METEORIZADA
III IV
MUY METEORIZADA
V
COMPLETAMENTE METEORIZADA
Reconocimiento Intacta, micas y feldespatos lustrosos. Juntas manchadas de ocres, bloques de roca sanos.
Manchas de óxido, feldespatos descompuestos, pero la roca mantiene alta resistencia
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Meteorización acusada, caolinización. Suelo, se desmenuza con la mano, aunque se puede observar la textura relicta.
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Cubierta vegetal Suelo geotécnico
Suelo residual
Grupo V Grupo IV
Roca meteorizada
Grupo III Grupo II
Roca sana Grupo I
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Granito
Jabre
•Toma
de datos del recubrimiento Morfología, litología y espesor
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PERFIL DE METEORIZACIÓN PARA ROCAS . DEERE Y PATTON 1971
ZONA
HORIZONTE
SUELO
1A
RESIDUAL
DESCRIPCIÓN Suelo superficial, orgánico, zona de lixiviación, aluvial o coluvial, poroso, baja densidad. Permeabilidad media a alta. Resistencia baja a media.
1B
Arcilloso: Fe, Al, Si. Puede cementar. No hay estructuras relictas –heredadas-: Permeabilidad baja a media.Resitencia baja, alta si cementado.
1C
Saprolito. Hay estructuras relictas. Limoso y arenoso. Rocas son< 10%. Permeabilidad media a alta. Resistencia baja a media.
ROCA
II A
METEORIZADA
Transición residual o saprolito a roca parcialmente meteorizada, granos finos a gruesos, núcleos de roca del 10% al 95% (bolos y bloques). Permeabilidad alta. Resistencia relativa baja a media.
II B
Roca parcialmente meteorizada. Roca blanda a dura. Diaclasas manchadas o alteradas. Feldespatos y micas alteradas. Permeabilidad media a alta. Resistencia
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relativa media a alta. ROCA FRESCA
III
No hay manchas en diaclasas. No hay meteorización en feldespatos y micas. Permeabilidad baja a media, resistencia relativa alta o muy alta.
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.
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Ingeominas 200345
METEORIZACIÓN: Existen otras escalas aplicables a otro tipo de rocas (metamórficas, sedimentarias...) y también escalas para labios de discontinuidades.
Fresco
Sano
Descolorido
Variación de color
Descompuesto
Muy meteorizado pero conserva la textura
Desintegrado
Tipo suelo.
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GRADO DE METEORIZACIÓN DE LAS PAREDES DE LAS DISCONTINUIDADES Y DEL MACIZO ROCOSO El grado de meteorización o alteración del material rocoso comprende el macizo en general y las paredes de las discontinuidades individuales (por ejemplo un conjunto desfavorablemente orientado de diaclasas)
Término
Descripción
Fresco
Ningún signo visible de meteorización del material rocoso.
Descolorido
El color del material rocoso original fresco está cambiado. El grado de cambio del color original deberá estar indicado. Si el cambio de color está confinado a constituyentes minerales particulares, esto deberá ser mencionado.
Descompuesto
La roca está meteorizada a la condición de un suelo en la cual la textura original del material está aún intacta, pero algunos o todos los minerales están descompuestos.
Desintegrado
La roca está meteorizada a la condición de
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un suelo en la cual la textura original del material está aún intacta. La roca desmenuza fácilmente pero los granos minerales no están descompuestos
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Términos sugeridos para la descripción de las discontinuidades.
Término Fresca
Descripción Ningún signo visible de meteorización del material rocoso, quizá leve decoloración sobre las superficies de discontinuidad principales
Grado I
Levemente meteorizado
Decoloración indica meteorización del material rocoso y superficies de discontinuidad. Todo el material rocoso puede estar decolorado por meteorización y puede ser en algunas partes más débil externamente que en su condición fresca.
II
Moderadamente meteorizado
Menos de la mitad del material rocoso está descompuesto y/o desintegrado a suelo. La roca fresca o decolorada está presente como un rasgo continuo o como núcleo de roca.
III
Altamente meteorizado
Más de la mitad del material rocoso está descompuesto y/o desintegrado a suelo. La roca fresca o decolorada está presente como un rasgo continuo o como núcleo de roca.
IV
Completamente meteorizado
Todo el material rocoso está descompuesto y/o desintegrado a suelo. La estructura maciza original está aún ampliamente intacta.
V
Suelo residual
Todo el material rocoso está convertido en suelo. La estructura maciza y la textura del material están destruidas. Hay un gran cambio en volumen, pero el suelo no ha sido transportado significativamente.
VI
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Contacto con resalte
Caliza - - Pizarra
Roca dura - - Roca blanda
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Contactos Fallas
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Contactos Fallas
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Contactos Fallas
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· · · · · · · · · ·
orientación espaciado dimensiones resistencia de los labios de la junta rugosidad apertura relleno circulación de agua número de familias de discontinuidades tamaño de los bloques
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La estimación de las este tipo de características en un número suficientemente elevado de discontinuidades del macizo rocoso,64y el posterior tratamiento de los datos recogidos permitirá la adecuada caracterización geoestructural del macizo
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Características geomecánicas de las discontinuidades Estudio de la fracturación Estaciones geomecánicas: J4
(100,101,102,103) J2
Tipo de plano Orientación Continuidad Espaciado Rugosidad (98) (94) Resistencia (95) J3 J3 Relleno y tipo (93) Apertura (92) Presencia de agua (91) Otros datos J1
(109) J5
(97)
J1 (96)
(99)
J5
(105) (104)
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J4
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Orientación Es la posición de la discontinuidad en el espacio. La tendencia es definir las discontinuidades por la dirección de buzamiento (o rumbo) y el buzamiento. El buzamiento se define como la inclinación de la línea de máxima pendiente del plano medio de discontinuidad, medida desde la horizontal. La dirección de buzamiento o de la línea de máxima pendiente se mide desde el Norte verdadero en el sentido de las agujas del reloj. Conviene medir un buen número de discontinuidades para poder definir distintas familias.
N
N
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Cuando un grupo de discontinuidades se presentan con similar orientación o en otras palabras son aproximadamente paralelas, se dice que éstas forman un “sistema” (set) o una “familia” de discontinuidades.
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N
Rumbo 270 300 Dirección de buzamiento
240 210
330 0
180 30
150 60
120
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90
N
210º Dirección de buzamiento
Rumbo
70
32º
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PROYECCIÓN ESTEREOGRÁFICA: EQUIVALENCIAS DE FORMATOS PARA PLANOS EJEMPLO
FORMATO
DIP DIR ° (RUMBO O DIRECCION)
DIP ° (BUZAMIENTO)
DIP/DIP DIRECTION
260
30°
STRIKE RIGHT/DIP
170
30°
STRIKE LEFT/DIP
350
30°
GEOLOGICO: RUMBO/BUZAMIENTO
N10 W
30°SW
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Espaciado Es la distancia entre discontinuidades de una misma familia, medida perpendicularmente a los planos de esta. El espaciado marca el tamaño de los bloques de roca, así como la deformación del macizo y su resistencia al corte. También marca la circulación de agua. Espaciado o espaciamiento de las discontinuidades según Brown (1981)
Descripción Espaciado muy cerrado Espaciado cerrado Espaciado moderado Espaciado abierto Espaciado muy abierto
Espaciado < 6 cm 6-20 cm 20-60 cm. 60 cm – 2 m >2m
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Medida del espaciado en afloramientos
S1 cinta
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d2
S2 = d2·sen
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cinta S1 d2
S2 = d2·sen
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Dimensión (continuidad o persistencia) La dimensión se refiere a la extensión en área de las juntas. Para cuantificarla es necesario observar las longitudes de las superficies estudiadas en los afloramientos. En función del tamaño medio observado in-situ, las diferentes familias de juntas se clasifican en: ·
continuas, ·
y
discontinuas
subcontinuas
Persistencia de las discontinuidades según Brown (1981)
Continuidad muy pequeña
< 1 m.
Continuidad pequeña
1-3 m.
Continuidad media
3-10 m.
Continuidad alta
10-20 m.
Continuidad muy alta
> 20 m.
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Dimensión (continuidad o persistencia)
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Resistencia a compresión simple de las paredes de la discontinuidad (JCS = Joint Compressive Strenght) La resistencia de las parede de las discontinuidades puede expresarse de la siguiente forma:
a) En función del grado de meteorización del material rocoso y del macizo rocoso. k =2,5 rocas duras y sanas JCS = sc / k
k=5 rocas medias k = 10 rocas blandas y meteorizadas O N b) Mediante ensayos manuales, tomando como material representativo el de las A J E L paredes de las discontinuidades. A c) A partir del ensayo del martillo de Schmidt, aplicado en posición perpendicular al labio o borde de la junta o discontinuidad.
. L . O R T S A C . A
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Obtención de JCS :
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80
Rugosidad La rugosidad de una discontinuidad es la medida de la irregularidad o separación del plano de una discontinuidad real. Es el factor determinante de la resistencia al corte. A medida que aumenta la apertura esta importancia disminuye, así como al aumentar el espesor de relleno o cualquier desplazamiento sufrido con anterioridad.
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81
Rugosidad
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82
Rugosidad Se caracteriza la rugosidad de una discontinudad por su ondulación y aspereza. Las ondulaciones son rugosidades a gran escala mientras que la aspereza es una rugosidad a pequeña escala. La ondulación puede definirse mediante el ángulo “i”. O N A J E L A . L . O R T S A C . A
83
JRC
Rugosidad
1
0-2
JRC
2
2-4
(Joint roughness coefficient)
3
4-6
El JRC o Coeficiente de rugosidad de la junta es la propiedad más utilizada hoy en día para estimar la rugosidad.
4
6-8
5
8 - 10
6
10 - 12
Se suele estimar con 10 perfiles normalizados y relacionados con el JRC.
7
12 - 14
8
14 - 16
9
16 - 18
10
18 - 20
Este parámetro JRC puede además ser utilizado para determinar la resistencia al corte de la discontinuidad.
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
84
0
5
10
cm Escala
Rugosidad
Borde plano Amplitud de la aspereza - mm
JRC (Joint roughness coeficient)
Longitud del perfil-m
Se puede estimar mediante el peine de Barton y el gráfico adjunto.
Amplitud
JRC
de la
Coeficiente
aspereza mm
O N rugosidad A J E L A . L . O R T S A C . A
85
Rugosidad Existe una escala que representa nueve grados de rugosidad, y que se presenta en la figura, en relación con el JRC:
I - Rugosa (o irreg.), escal.
II - Lisa, escalonada III - Pulida, escalonada
IV - Rugosa (o irreg.), ond. V - Lisa, ondulada VI - Pulida, ondulada
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
VII - Rugosa (o irreg.), pl. VIII - Lisa, plana IX - Pulida, plana
86
Conceptos: Discontinuidad cerrada, no hay nada ni material ni hueco entre los labios de la discontinuidad.
Discontinuidad abierta, existe una distancia entre ambos labios de la discontinuidad, sin ningún tipo de material.
Discontinuidad rellena, existe un material de relleno entre ambos labios de la discontinuidad.
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
87
Apertura Distancia perpendicular que separa las paredes adyacentes de roca de una discontinuidad abierta. Distinto del “espesor de relleno”. La apertura se debe a desplazamientos de tipo cortante en juntas rugosas, o a tracciones, lavado o disolución. Las aperturas en profundidad son normalmente inferiores a menores que las visibles en afloramientos.
0.5 mm, y O N A J E L A . L . O R T S A C . A
Se observan bien con pintura. Se pueden medir con láminas calibradas. Conviene tomar varias medidas por discontinuidad.
a
88
Apertura
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
Las aperturas visibles (oxidación, meteorización) corresponden a discontinuidades alteradas, por lo que son probablemente mayores que aquellas que existen en profundidad.
89
Relleno El relleno es el material que se encuentra entre los labios de una junta. Su anchura es el espesor de relleno. Para analizarlo se deben considerar los siguientes factores: 1) Mineralogía del material de relleno. 2) Tamaño de las partículas y granulometría. 3) Relación de sobre-consolidación. 4) Contenido en agua y permeabilidad. 5) Desplazamientos cortantes previos. 6) Rugosidad de las paredes. 7) Espesor. 8)Fracturación o aplastamiento de las paredes.
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
e
90
Relleno Salto de falla
e3 e1
e2 O N A J E L A . L . O R T S A C . A
Se suele medir el máximo y el mínimo espesor. Si hay variación puede deberse a desplazamientos cortantes. Conviene dar una idea de la meteorización de las paredes de la junta y dibujar esquemas o adjuntar fotografías de lo que se observa. Así mismo se definirá la mineralogía, granulometría y en su caso tomar muestras.
91
Circulación de agua En los macizos rocosos la circulación de agua se realiza principalmente a lo largo de las discontinuidades (permeabilidad secundaria). Sin embargo, en rocas sedimentarias se produce sobre todo por los poros de la roca (permeabilidad primaria). Conviene describir la circulación de aguas en juntas y familias y adjuntar fecha de toma de datos y datos meteorológicos. Se suelen indicar las siguientes posibilidades: IMPERMEABLE, SECA, HÚMEDA, GOTEO y FLUJO. O N A J E L A . L . O R T S A C . A
92
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
93
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
94
Circulación de agua Los siguientes aspectos son de importancia: 1) La permeabilidad primaria tiene relevancia en los macizos rocosos sedimentarios, donde los planos de estratificación y los propios estratos ponen en contacto unas rocas con otras. En cambio, dicha permeabilidad suele tener poca importancia en macizos formados por materiales de origen ígneo y metamórfico. 2) La conductividad hidráulica puede ser muy anisotrópica cuando las fallas contengan brechas muy permeables, adyacentes a zonas arcillosas impermeables. 3) Junto con la hidrogeología local, es necesario conocer el % de agua que circula por las juntas, que es proporcional al gradiente hidráulico y a la permeabildad direccional mayor, dependiendo dicha proporcionalidad del tipo de flujo. 4) También es importante obtener información meteorológica y estudiar la posibilidad de formación de hielo que podría bloquear los canales de drenaje originando una elevación en la presión de agua.
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
95
Existen tablas con escalas descriptivas para la evaluación del grado de filtración de una discontinuidad sin relleno y con él.
Grado de filtración Grado filtración
de
discontinuidades sin relleno
Descripción
I
La discontinuidad está muy cerrada y seca. El flujo de agua a través de la misma no parece posible.
II
La discontinuidad está seca, sin evidencia de flujo de agua. La discontinuidad está seca, pero muestra evidencia de O N A flujo de agua, p. ej., moho descolorido, etc. J E
III
L A . L . O R T S A C . A
IV
La discontinuidad está húmeda, pero no se observa circulación de agua.
V
La discontinuidad indica filtración y gotas ocasionales, pero no flujo continuo.
VI
La discontinuidad muestra un flujo continuo de agua. (Hay que estimar el caudal en litro/min. y describir la96 presión, p.ej.: baja, media o alta).
Grado de filtración Grado filtración I
II III IV
V
VI
de
discontinuidades con relleno
Descripción Los materiales de relleno están muy consolidados y secos, parece muy improbable la aparición de un flujo debido a la permeabilidad muy baja. Los materiales de relleno están húmedos, pero no hay agua en circulación. Los materiales de relleno están húmedos, con gotas O N A J ocasionales de agua. E L A . L . O R T S A C . A
Los materiales de relleno muestran signos de lavado, con flujo de agua continuo. (Se estima el caudal en litros/minuto). Los materiales de relleno están localmente lavados con un considerable flujo de agua a lo largo de los canales de erosión. (Estimación del caudal y de la presión). Los materiales de relleno están completamente97 erosionados; existe presión de agua muy elevada especialmente sobre el primer afloramiento.
Otras características de las de discontinuidades Conviene adjuntar esquemas o fotografías.... ESQUEMA DE DISCONTINUIDADES
FOTOGRAFÍAS DISCONTINUIDADES
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
98
Número de familias de discontinuidades El número de familias de discontinuidades existentes en un macizo rocoso domina su comportamiento, comportamiento ya que determina el grado en que puede deformarse sin que haya roturas en la roca, y su aspecto, porque determina la forma en la que rompe. Cuanto mayor sea el número de familias más inestable será el macizo. El nº de familias se determina contorneando los polos trazados en una red equiareál mediante proyección estereográfica.
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
99
a)
b)
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
100
Número de familias de discontinuidades
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
101
Conviene indicar el tipo de discontinuidad si se conoce: So estratificación S1 esquistosidad .....
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
102
Número de familias de discontinuidades La estimación del número de familias se realizan mediante proyección estereográfica, contorneando polos en una red polar equiareal.
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
103 Figura. Representación de un plano
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
104
(130º/50º)
polo
círculo máximo
(130º/50º) O N A J E L A . L . O R T S A C . A
(340º/30º) (130º/50º)
105
Obtención del círculo máximo y del polo de un plano
Número de familias de discontinuidades
Tratamiento de datos de afloramientos
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
106
Mediante proyección estereográfica. Se verá en la parte de familias
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
107
Número de familias de discontinuidades
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
108
Número de familias de discontinuidades Tratamiento de datos en afloramientos: Estudio de la fracturación. Interpretación DIPS. Representación polos. DIPS
N
Poles
W
Contorno polos. DIPS
E
Equal Angle Lower Hemisphere 478 Poles 478 Entries
S
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
109
Número de familias de discontinuidades Tratamiento de datos de afloramientos. Interpretación DIPS. Contorno polos. DIPS
Planos principales. DIPS
N Orientations ID
4m
2m
Dip / Direction
1
m
44 / 235
2
m
69 / 211
3
m
88 / 358
4
m
86 / 134
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
1m W
3m 4m
E
2m 1m
110 Equal Angle Lower Hemi sphere 478 Poles 478 Entries
Presentación de resultados Tratamiento de datos de afloramientos : Estudio de la fracturación. TABLA FINAL:
O N A J E L A . L . O R T S A C . A N Orientations ID
4m
2m
Dip / Direction
1 m
44 / 235
2 m
69 / 211
3 m
88 / 358
4 m
86 / 134
1m W
3m 4m
E
111
2m 1m
3m
Equal Angle Lower Hemisphere 478 Poles 478 Entries
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
112
ORIENTACION DE LAS DISCONTINUIDADES Y RELACIÓN CON ESTABILIDAD DE TALUDES (Hoek, Bray) O N A J E L A . L . O R T S A C . A
113
INFLUENCIA DE LA ORIENTACION DE LAS DISCONTINUIDADES SOBRE LAS EXCAVACIONES SUBTERRANEAS Y EL ASPECTO DEL MACIZO
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
114
Presentación de resultados Conviene añadir histogramas de las propiedades medidas
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
115
Presentación de resultados Conviene añadir histogramas de las propiedades por familias HISTOGRAM A ESPACIADO DE JUNTAS J1 J2 J3 J4 Otras 100 75
%
Otras
50
J4 25 0
6 0 , m 0 m 2 , m < 6 0 , 2 m 0 6 2 6 , 0 , 2 , > 0 0 0 ESPACIADO
J3 J2 J1
FAMILIA
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
116
¿Por qué es tan Importante tomar datos de discontinuidades en suficiente cantidad y calidad?
J2 J4
7 6
5
J3
1 O N A J E L A . L . O J1 R T S A C .J3 A
J2
4
2 Orientación de los taludes y posibles roturas
Esquema de Hoek y Bray de cantera y tipos de rotura.
J1
3
T-1 080º/ 60º - Posible vuelco J2 T-2 050º/ 60º - Posible vuelco J1 T-3 000º/ 60º - Nada T-4 290º/ 60º - Cuña J1-J3 (improb.) T-5 260º/ 60º - Rotura Plana J3 T-6 180º/ 60º - Cuña J2-J4 (improb.)
117
Tamaño de los bloques El tamaño de los bloques es un indicador muy importante de la calidad del macizo rocoso, y viene determinado por el espaciado de las discontinuidades, el número de las familias y el tamaño de las discontinuidades que delimitan los bloques potenciales. La combinación de la resistencia la corte de las discontinuidades que delimitan los bloques y el tamaño de los mismos determina el comportamiento mecánico del macizo rocoso bajo unas condiciones de O N tensión dadas. A J E L A . L . O R T S A C . A
El tamaño de los bloques se puede expresar de las formas que se presentan a continuación: 1) Índice del tamaño de bloque (Ib): 2) Índice volumétrico de juntas (Jv): 3) Rock Quality Designation R.Q.D. 4) Aspecto del macizo rocoso.
118
1) Índice del tamaño de bloque (Ib): Puede estimarse seleccionando, a simple vista, una serie de bloques de tamaño medio. En rocas sedimentarias aparecen bloques más regulares. Dos familias de juntas perpendiculares entre sí, más estratificación, constituyen una forma muy común de bloque cúbicos o prismáticos. Entonces, Ib se define con precisión:
Ib = (S1 + S2 + S3) / 3
S1, S2, S3: espaciado medio de las tres familias de discontinuidades lb puede alcanzar un margen de error del 10%. O N A J E L A . L . O R T S A C . A
119
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
120
Índice volumétrico de juntas (Jv): Es el número de juntas que intersecta 1 m3 de macizo rocoso.
Jv = 3 + 3 + 3 + 1 = 10
1m Los términos descriptivos de la tabla dan una idea del tamaño del bloque en función de Jv.
Tamaño de bloque
Jv (Disc/m3)
Bloque muy grandes
< 1.0
Bloques grandes
1-3
Bloques medios
3-10
Bloques pequeños
10 – 30
Bloques muy pequeños
> 30
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
121
2) Índice volumétrico de juntas (Jv): Se puede calcular a partir de todos y cada uno de los espaciados medios (S) de cada una de las familias que intersecten el macizo rocoso: n
Jv =
(1 / Sn) i=1 S1 = 0.2, S2 = 0.25 y S3 = 0.33
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
Jv = 1/0.2 + 1/0.25 +1/0.33 = 12
cinta
122
d2
S2 = d2·sen
Índice volumétrico de juntas (Jv): Es el número de juntas que intersecta 1 m3 de macizo rocoso. n
Jv =
Jv = 3 + 3 + 3 + 1 = 10
i=1
(1 / Sn)
S1 = 0.2, S2 = 0.25 y S3 = 0.33
Jv = 1/0.2 + 1/0.25 +1/0.33 = 12 O N A J E L A . L . O R T S A C . A
cinta 1m
d
123 S = d ·sen
3 ) R.Q.D. El Rock Quality Designation o RQD, se aplica a testigos de sondeos recuperados (sondeos con corona de diamante). Es el porcentaje de trozos de testigos recuperados mayores a 10 cm, de la longitud total del perforada. Se recomienda cálculo cada 1,5m y diámetro mínimo NX= 54 mm. Longitud total perforada = 200 cm
Longitud de testigos > 10 cm
RQD =
x 100 Longitud total perforada
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
38 + 17 + 20 +35 RQD =
x 100 = 55 % 200
124
R.Q.D.
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
125
R.Q.D. DIFERENTE DE 10 cm
Priest & Hudson, 1976
Para referencia 10 cm de Deere. RQD=100 e -0.1λ (0.1λ +1) λ = Frecuencia=1/espaciado medio RQD=100 e -λ t (λ t+1) t= valor establecido en lugar de 10 cm de Deere.
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
126
Rock Quality Designation RQD. O N A J E L A . L . O R T S A C . A
127
Relaciones entre el RQD y el J v
(Palmstrom, 1974):
RQD = 115 - 3,3 J v RQD = 100 para J v < 4,5
Esta relación permite estimar el orden de magnitud del RQD cuando no se dispone de sondeos o estimar el J v a partir de datos de profundidad.
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
128
4) Aspecto del macizo rocoso: Los macizos rocosos se describen según la siguiente terminología para dar una impresión del tamaño y forma de los bloques: poliédricos, tabulares, cúbicos, romboédricos o columnares.
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
129
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
130
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
131
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
132
4) Aspecto del macizo rocoso: Conviene adjuntar esquemas de fracturación para estimar tamaño de bloques
4) Aspecto del macizo rocoso:
Roca masiva
Roca muy fracturada
Tamaño de bloque Bloque muy grandes Bloques grandes Bloques medios Bloques pequeños Bloques muy pequeños
Valor de Jv < 1.0 1-3 3-10 10 – 30 > 30
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
134
Roca intensamente fracturada
Roca triturada
TIPO A. ROCA MASIVA
TIPO B. ROCA FRACTURADA
TIPO C. ROCA MUY FRACTURADA
Se puede representar como un medio continuo con las propiedades de la roca sana
Se debe representar como un medio con las propiedades de la roca sana atravesada por juntas con propiedades conocidas (aunque su localización sólo será conocida estadísticamente) que aparecen como condiciones de contorno en la formulación de la Mecánica de los Medios Continuos. O N A J E Sólo se puede abordar como un medio continuo con unas L A . propiedades medias obtenidas a partir de las propiedades L . de la roca sana y de una medida de las propiedades de las O R T discontinuidades (a través de índices de calidad). S Se debe tomar un medio continuo equivalente tal que los A C . promedios de desplazamientos y tensiones del medio muy A
fracturado coincidan con los desplazamientos y tensiones del medio sin fracturas con las propiedades mecánicas deterioradas. Existen varias alternativas para lograr esta representación.
135
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
136
MICROESCALA
MACROESCALA
MEGAESCALA
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
137
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
138
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
Muro Inca vs. Macizo rocoso
139
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
140
BIBLIOGRAFIA
• •
•
Ramirez P., Alejano L. Mecánica de Rocas, fundamentos e ingeniería de taludes. Ferrer M., Gonzales de V. L. Manual de campo para la descripción y caracterización de los macizos rocosos en afloramientos. Suggested Methods for the Quantitative Description of Discontinuities in Rock Masses. International Society For Rock Mechanics Commission On Standardization Of Laboratory And Field Tests- International Journal of Rock Mechanics. Vol 15. Pergamon Press 1978.
O N A J E L A . L . O R T S A C . A
141
