Juan Montero Olarte

Capítulo 11 CARACTERIZACIO� GEOLOGICA DE MACIZOS

ROCOSOS Juan Montero Olarte

1

I�TRODUCCIO�

Esta nota técnica se relaciona con la caracterización geológica de macizos rocosos en relación con la estabilidad de taludes de corte principalmente. En este contexto el macizo rocoso comprende el conjunto del material rocoso, es decir, la sustancia rocosa misma, y las discontinuidades geológicas que aíslan los bloques o fragmentos de roca que lo conforman. Un talud vertical de 40m-60, realizado en un macizo imaginario de arenisca que no tuviera planos estructurales, podría mantenerse estable. Pero generalmente un talud de tal magnitud e inclinación en un macizo real, en ese tipo de roca, es de alguna manera inestable, como consecuencia del desplazamiento de masas de roca a lo largo de las discontinuidades estructurales o su desprendimiento. En el caso particular de que la roca este intensamente fracturada pueden desarrollarse fallas de tipo rotacional o semejante. Las características de resistencia y deformabilidad de los macizos rocosos dependen fundamentalmente entonces, de las características de las discontinuidades estructurales, las cuales actúan como planos débiles. Esta condición es particularmente cierta en el caso de excavaciones abiertas, como las excavaciones viales o mineras superficiales, realizadas en rocas duras. Si la resistencia al desplazamiento de corte es apreciablemente menor a lo largo de esas discontinuidades que a través del material rocoso, estas discontinuidades estructurales constituyen verdaderas discontinuidades mecánicas y el macizo se considera como un macizo de roca dura. En el caso de que la resistencia a lo largo de las mismas sea semejante al del material rocoso, éste tipo de macizos falla a lo largo del material y se considera como un macizo de roca blanda. Se describen a continuación los factores de los macizos que determinan su estabilidad en excavaciones abiertas, los cuales son también aplicables en algunos casos a excavaciones subterráneas. Estos factores se relacionan con la orientación y posición espacial de las discontinuidades y otras características de las mismas tales como su resistencia, sus asperezas, el tipo de relleno o sellante alojado en las mismas y las condiciones de flujo de agua subterránea.

RESISTE�CIA Y �IVEL DE ESFUERZOS

Resistencia del Material Rocoso

Este factor define, conjuntamente con el estado de esfuerzos, si un macizo rocoso falla a lo largo de sus discontinuidades estructurales o a través del material rocoso. A este respecto las rocas se pueden agrupar en cuatro clases de acuerdo con su textura y fábrica:

1 Profesor asociado UNAL

226

a) Rocas Cristalinas Masivas. Con partículas minerales mecánicamente entrabadas y con orientación

aleatoria como las ígneas en general, las calizas líticas y las cuarcitas. b) Rocas Cristalinas Foliadas. Con partículas minerales mecánicamente entrelazadas, con orientación

preferencial a lo largo de la cual las rocas son menos resistentes. A este grupo pertenecen las rocas metamórficas foliadas como las filitas o los esquistos

c) Rocas con Textura Clástica Cementada. Con partículas minerales cementadas, con resistencia y deformabilidad variable, dependiendo de la calidad del material cementante, las proporciones de grano de esqueleto y grano de matriz y el grado de empaquetamiento general que posea. A este grupo pertenecen las rocas sedimentarias detrítitcas como las areniscas y los conglomerados. Las variedades más resistentes poseen cemento silíceo, sus partículas están bien empaquetadas y su porosidad es muy reducida.

d) Rocas con Textura Clástica Consolidada. Con partículas consolidadas, que comprende básicamente el grupo de las lutitas dentro de las rocas sedimentarias y cuya resistencia se acrecienta con el grado de consolidación: arcillolita, lodolita y limolita/shales arcilloso y shale lodoso/argilita

En la Tabla 1 se presenta un resumen de la resistencia de las rocas en estado fresco o con meteorización incipiente.

Tabla 1 Rango de Resistencia para algunas rocas en estado fresco y sano

TEXTURA EJEMPLOS RESISTE�CIA A LA

COMPRESIÓ� SIMPLE (Kg/cm2)

Cristalina Masiva*

Cuarcita, diabasa, basalto denso

1.200 – 2.500

Cristalina Foliada Filita, esquisto, neis 500 – 1.800

Clástica Consolidada Arenisca 50 – 1.500

Clástica Cementada Lutita 50 – 1.500

*Entre las rocas cristalinas masivas, las lavas poseen resistencia más dispersa

6.2.2 �ivel de Esfuerzos

Este factor se incrementa con el aumento de la profundidad y el tamaño de las excavaciones. La gran mayoría de las excavaciones subterráneas exigen profundidades alrededor de 300m a 600m para las cuales las presiones litostáticas varían entre 75 y 150 Kg/cm2.

227

Teniendo en cuenta la siguiente relación empírica entre la presión vertical (σv) y la resistencia a la compresión simple (σc):

σv/σc > 0.2 (váli

da para rocas de alta resistencia como la cuarcita)2 (1) propuesta por Hoek y Brown, las rocas expuestas en taludes de minas y excavaciones profundas fallan cuando se cumple esta relación. De esta manera, macizos de roca con resistencia σc < 375 Kg/cm

2 o con menos frecuencia σc < 750 Kg/cm

2, pueden considerar como Macizos de Roca Blanda. Veamos algunos factores que influyen en la relación empírica anterior (1):

• Si la roca es menos dura que la cuarcita, digamos una arenisca del cretáceo bien cementada o una diabasa poco descompuesta, esa relación aumenta, con lo cual el valor de c se rebaja.

• Si los esfuerzos horizontales son mayores que los verticales, (mayor valor del coeficiente de presión de tierras K = σH / σV), situación corriente en países tectónicamente activos como Colombia, las rocas pueden comportarse como rocas blandas, a profundidades menores que las indicadas, es decir que para igual condición de cobertura de roca, también se rebajaría el valor de σc

• Al mismo tiempo consideremos profundidades entre 100m y 300m, como un rango de excavaciones corriente en nuestro medio.

Considerando el rango de profundidad, entre 100 y 300 metros, los valores correspondientes de σc son de 25 Kg/cm2 y 375 Kg/cm2 Teniendo en cuento por otro lado la influencia de la tectónica en nuestro medio, estos valores pueden ser un poco menores, es decir que podemos proponer para σc un rango entre 20 Kg/cm 2y 370 Kg/cm2

como la transición de roca blanda a roca dura, donde los valores extremos se ajustan a las profundidades promedio de excavaciones viales y túneles, respectivamente.

CARACTERISTICAS DE LAS DISCO�TI�UIDADES ESTRUCTURALES

Las características de las discontinuidades estructurales se pueden agrupar de la manera siguiente: (1) las de tipo geométrico que determinan el tamaño, la forma y la posición espacial de fragmentos o bloques de roca, los cuales tienen que ver con la orientación y espaciamiento de las discontinuidades: (2) las que determina la resistencia a lo largo de las discontinuidades en el caso de los macizos de roca dura, que tiene que ver con la persistencia de las discontinuidades; las aberturas rellenos y sellantes; las asperezas superficiales de las diaclasas, su persistencia o continuidad, la resistencia de la pared y el patrón de flujo de agua. Estos factores se describen a continuación.

FACTORES GEOMETRICOS

Comprende la orientación y posición espacial de las discontinuidades, lo cual se refleja en el tamaño, forma y posición espacial de los fragmentos o bloques de roca aislados entre discontinuidades.

2 En rocas blandas esta la relación podría ser algo menor a 0.2

228

Orientación

La orientación espacial de una discontinuidad se describe por el rumbo y el buzamiento de la misma. Por lo general los macizos rocosos presentan familias de discontinuidad o sistemas de discontinuidad. El primer término se refiere a un conjunto de diaclasas paralelas, el segundo tiene que ver con agrupaciones típicas de diaclasas cada una de las cuales por lo general presenta la misma historia de esfuerzos. Esta característica controla la posibilidad de que se presente condiciones favorables o desfavorables de estabilidad, según la manera como influya la redistribución de esfuerzos en los planos de discontinuidad. En la Figura 1 se presentan diagramas que corresponden a 3 actitudes estructurales diferentes y en la Figura 2, la influencia de la orientación de las discontinuidades se visualiza en una perspectiva (2a), o mediante un bloque diagrama (2b). La orientación se determina en el campo con mediciones sistemáticas de la actitud estructural, de los diferentes juegos de diaclasas u otras discontinuidades, las cuales suelen representarse en la red estereográfica polar o ciclográfica (Figura 3). En la Figura 4 se aprecian diferentes tipos de falla de taludes, cuyos mecanismos están definidos básicamente por la interacción geométrica de los planos estructurales y la geometría del talud de corte.

Figura 1 En tres bloques diagrama se muestran, de izquierda a derecha, ejemplos de orientación de discontinuidades: 120º/60º, 240º/60º y 60º/60º

229

Figura 2 En la parte (a) se aprecia una perspectiva que muestra la relación entre la geometría de un proyecto de excavación subterránea y la orientación espacial de tres familias de discontinuidades; en (b) un bloque diagrama que ilustra una relación semejante pero con más detalle

Figura 3 Diagrama polar de frecuencias de discontinuidades que muestra 3 conjuntos: 1 y 2 perpendiculares entre sí y con fuerte

inclinación; 3 un conjunto casi horizontal

230

Figura 2 Se presentan cuatro diagramas y se ilustran los casos correspondientes de inestabilidad: a. Falla rotacional en roca triturada; b. Falla planar en un macizo con una familia de discontinuidad predominante; c. Falla en cuña en un macizo con dos juegos bien definidos de discontinuidad y d.Volcamiento debido a la posición sub-vertical de estratos

Espaciamiento

Este término se refiere a la separación media entre discontinuidades adyacentes y controla el tamaño de bloques individuales de material rocoso. Cuando el espaciamiento es muy denso tiende a presentarse condiciones de baja cohesión de masa, mientras que si es amplio la condición de entrabamiento de bloques es por lo general favorable.

231

En la Figura 5 se ilustran 3 juegos de diaclasas y en la Figura 6, la influencia conjunta de la orientación y el espaciamiento, sobre la forma, tamaño y posición espacial de las discontinuidades.

Figura 5 El bloque diagrama muestra tres familias de diaclasas y la separación relativa entre discontinuidades; da una idea sobre el tamaño y la posición espacial de bloques

232

Figura 6 Se aprecia la influencia del número de familias de discontinuidad en la forma de los bloques de roca: (a) bloques irregulares, cuando no hay familias definidas; (b) bloques tabulares, debido a una familia predominante; (c) bloques prismáticos, debido a dos familias; (d) bloques equidimensionales, debido a tres juegos sub-normales con separación similar; (e) bloques romboides, debido a tres familias con orientación ligeramente diferente y (f) bloque columnares, debido a cinco familias relativamente paralelas

233

FACTORES DE RESISTE�CIA

En los análisis corrientes de estabilidad de taludes intervienen tres parámetros: la densidad (), la cohesión (c) y el ángulo de resistencia interna (φ). Un análisis gráfico de la relación entre el esfuerzo cortante (ζ) y el esfuerzo normal (ζ) (Figura 7), permite entender los conceptos de cohesión y ángulo de resistencia interna. Según se aprecia, la cohesión es un parámetro de resistencia inherente, independiente de la carga normal, en tanto que el ángulo de resistencia interna depende de la carga normal y se incrementa con ésta. La relación entre el esfuerzo de corte y el esfuerzo normal se expresa en la siguiente ecuación:

ϕστ tg⋅+= c (1)

Figura 7 En la gráfica se presenta una relación entre el esfuerzo de corte requerido para causar deslizamiento a lo largo de una discontinuidad y la carga normal que actúa sobre la

superficie de falla

234

Persistencia

Este factor de muy difícil medición, está relacionado con el grado de continuidad de las diaclasas; en promedio determina la extensión para la cual el material rocoso y las diaclasa afectan separadamente las propiedades mecánicas de la masa. La resistencia al corte en este caso depende de la combinación de la resistencia inherente al corte de los puentes de roca intacta y aquella que se pueda desplazar a lo largo de la discontinuidad. Este factor puede expresarse en un coeficiente de continuidad (k) de diaclasamiento para una superficie potencial de falla, el cual se define como la relación entre la suma de áreas de diaclasas localizadas a lo largo de esta superficie y el área total de la misma. Para la medida de continuidad se recomienda medir la longitud de la discontinuidad, hasta su interrupción en el caso que sea visible, tanto a lo largo del buzamiento como a lo largo de la dirección de capa. La persistencia para diferentes familia de discontinuidad puede considerarse como: persistentes, sub-

persistentes, y no persistente. En la Figura 8 se ilustra mediante bloques diagrama la persistencia relativa a lo largo de diferentes familias de diaclasas y en la Figura 9 se presentan ejemplos idealizados de potencial de falla, teniendo en cuenta la persistencia de las discontinuidades.

Rugosidades superficiales y Resistencia en la Pared

Las discontinuidades estructurales de los macizos de roca dura, no son planas y lisas: Presentan irregularidades visibles o sensibles al tacto, con influencia variable sobre la resistencia al corte desplazada a lo largo de ellas.

Al respecto se reconocen dos tipos de asperezas o rugosidad superficial: uno de primer orden, u ondularidad que se relacionan con la forma de las diaclasas y otro de segundo orden, o asperezas, el cual se relacionan con la naturaleza de la superficie de discontinuidad. Las irregularidades de primer orden se describen como planares, onduladas y pendientes. Se expresan de acuerdo con su inclinación promedia (i1). Estas irregularidades son las que ejercen mayor influencia en la resistencia al corte. Las de segundo orden se describen como pulidas, lisas y rugosas (i2); son de carácter muy débil y sólo ejercen algún control al nivel bajo de esfuerzos, vale decir, en el caso excavaciones pequeñas de taludes. La pendiente media de las irregularidades (i1) e (i2) afecta la resistencia al corte tal como se indica en la siguiente interpretación de la ecuación Mohr-Coulomb propuesta por Patton en 1966. ( )ic +⋅+= ϕστ tg (2)

Esta interpretación se basó en determinaciones experimentales de la resistencia al corte en muestras aserradas (Figura 10). La ecuación (2) es válida para bajos niveles de esfuerzos donde la resistencia al esfuerzo cortante se debe al deslizamiento a lo largo de las superficies inclinadas. En el caso de altos esfuerzos normales, la resistencia al corte del material intacto se puede exceder y los dientecitos de roca se pueden romper. En este caso el comportamiento de la roca a los esfuerzos de corte se relaciona más con el material intacto que con las características friccionantes de superficie.

235

Figura 8 Esquemas y bloques que permiten visualizar la persistencia relativa de varias familias de diaclasas

Figura 9 Bloque diagrama que muestra la importancia de la presencia de "puentes de roca intacta"

236

Figura 10 Resistencia al corte en muestras aserradas

Aunque la propuesta de Patton es simple y fácil de aplicar, no refleja los cambios de resistencia debidos al incremento de la carga normal, los cuales son graduales. Barton y sus colaboradores desarrollaron durante 1973 y 1990 estudios del comportamiento con base en los cuales proponen la siguiente ecuación:

( )( )σϕστ JCSJRCtanc b 10log⋅+⋅+= (3)

donde JRC representa un coeficiente de rugosidad y JCS es la resistencia a la compresión simple de la roca en la pared de la diaclasa. En la práctica, si el nivel de esfuerzos es bajo, caso de excavaciones superficiales de poca altura como pequeños cortes de carretera, las irregularidades de segundo orden pueden desplazar suficiente resistencia para que el talud se mantenga estable. En este caso el valor de τ se puede calcular teniendo el cuenta el valor de i2 , el cual como se ha podido comprobar es mayor que i1 . Si el nivel de esfuerzos es intermedio (casos de excavaciones de gran altura), las discontinuidades de segundo orden se destruyen y solo las de primer orden pueden desplazar resistencia al corte; se puede presentar una falla pero en este caso el macizo se dilata antes del desplazamiento. Si el nivel de esfuerzos es alto, caso de excavaciones sub superficiales (túneles y galerías a gran profundidad) la falla puede presentarse, pero en este caso las irregularidades de primer orden ( i1 ) también se desplazan por cortante. La medición de las asperezas es algo compleja. La manera más fácil es, midiendo con una brújula la orientación de las discontinuidades de primer orden a lo largo de una línea de medición que corresponda a la de la tendencia del desplazamiento. La brújula se monta sobre discos de diferente diámetro y las mediciones deben ser lo más juntas posibles. También se pueden hacer las mediciones usando perfilómetros especiales. La Figura 11 ilustra la manera como se mide e interpreta la ondularidad de las diaclasas.

237

Con respecto a las asperezas superficiales (segundo orden) existen tablas producidas por varios autores sobre ángulos típicos de rugosidad para diferentes tipos de roca, con valores en promedio, sensiblemente mayores a los de ondularidad.

Figura 11 Método empleado para medir la rugosidad en el campo, con una brújula montada en discos de diferente diámetro. Las mediciones se hacen a lo largo de la superficie potencial de falla, y si ésta no es conocida, se toman en tres dimensiones en diferentes sitios del macizo. Los datos se representan en diagrama de polos para su interpretación

La tabla de la Figura 12 ilustra perfiles típicos de rugosidad que permiten estimar el valor del coeficiente de rugosidad de Barton JRC.

238

Figura 12 Tabla de perfiles típicos de rugosidad

En el campo el valor de JCS se puede obtener de manera aproximada mediante ensayos de penetración con el martillo Schmidt (Figura 13).

239

Figura 13 Gráfica que permite estimar la Resistencia a la Compresión Simple (σc), mediante mediciones de dureza con el martillo Schmidt, con diferentes orientaciones de impacto

El valor de JRC depende de la escala de medición de la rugosidad. Si la escala es grande, se puede usar la tabla de la Figura 12 anterior, pero si es pequeña es conveniente acudir a una alternativa de estimación del JRC como la sugerida en la Figura 14.

240

Figura 14

241

Aberturas, Rellenos y Sellantes.

Las diaclasas pueden estar completamente cerradas o presentar diferentes grados de abertura y en los espacios abiertos generalmente se aloja material extraño que afecta de manera variable la resistencia al corte a lo largo de una discontinuidad. (Figura 15).

Figura 15 Ilustración de diaclasas cerradas o abiertas, con o sin relleno

La influencia del relleno sobre la resistencia de corte depende en parte de la resistencia del relleno mismo y en parte de la naturaleza de la discontinuidad con sus asperezas. En la Tabla 2 se presenta algunos ejemplos de materiales comunes de relleno.

242

Tabla 2 Tipos de rellenos y comportamiento.

TIPOS EJEMPLOS COMPORTAMIE�TO

Arcillas Caolinitas, montmorillonita

Ablandamiento con o sin expansión importante.

Fragmentos granulares Fragmentos de roca Acceso al agua, trasmiten algo de resistencia por fricción

Materiales desleíbles Clorita, sericita Son evacuados fácilmente

Materiales soluble Calcita Se disuelven y eventualmente son evacuados.

En las aberturas de las diaclasas se pueden inyectar sustancia sellantes o cicatrizantes que favorecen las condiciones del macizo, como sílice, calcita o aplita. Se presenta por lo general cuatro casos con respecto al espesor del relleno, el tipo de relleno y el tamaño de las asperezas: 1) El plano de deslizamiento para enteramente a través del relleno; la resistencia al corte depende

solamente a la del material sin influencia alguna del tamaño de las aspereza. 2) El plano de aspereza pasa parcialmente a través del relleno y parcialmente a través de la pared

rocosa; la resistencia al corte depende tanto de la resistencia del material como de la resistencia de la pared;

3) El relleno es muy delgado y en este caso se considera únicamente una modificación del ángulo de fricción interna.

4) Cuando no hay relleno y el plano de deslizamiento pasa enteramente a través de la zona de contacto de las dos paredes de roca opuestas en la discontinuidad; aquí la resistencia al corte depende solamente de la resistencia de la pared.

En la Figura 16 se puede apreciar, para el caso de rellenos simples, la influencia de la amplitud de la ondularidad (i2) y del espesor del relleno, así como la cantidad de desplazamiento requerido para que las dos paredes opuestas entren en contacto en algunos puntos material en el interior de los bloques. Esta Figura contiene además ejemplos de rellenos complejos y diaclasa selladas.

243

Figura 16 Izquierda, discontinuidades simples rellenas. Se indica la cantidad de desplazamiento requerido para que las dos paredes entraben. Derecha, condiciones complejas de rellenos y sellantes: (1) zonas de corte; (2) diques (sello); (3 y 4) roca muy fracturada y cizallada y (5) zona de falla

244

El material sellante es un caso particular de relleno, donde el material alojado en la diaclasa es duro y resistente; se refiere a materiales aglutinantes que se han infiltrado en la diaclasa como cuarzo o calcita. En este caso no representan un elemento de debilidad.

Flujo de Agua.

En los macizos de roca el flujo de agua está concentrado preferencialmente en las diaclasas abiertas, y las cabezas hidráulicas generadas dependen de la intercomunicación que existe entre las discontinuidades. Es muy común la ocurrencia de fallas, como consecuencia de altas cabezas que operan como cuñas hidráulicas. En este caso la ecuación que expresa la relación τ – σ se modifica, teniendo en cuanta la influencia de la presión del agua. ( ) ( )iuc +⋅−+= ϕστ tg (4)

En los suelos el flujo de agua es relativamente isotrópico y el nivel freático corresponde al nivel que alcanza el agua en un pozo y que corresponde a la presión atmosférica. En los macizos de roca el flujo de agua está concentrado preferencialmente en las diaclasas abiertas, y las cabezas hidráulicas generadas dependen de la intercomunicación que existe entre las discontinuidades. Es muy común la ocurrencia de fallas, como consecuencia de altas cabezas que operan como cuñas hidráulicas.En la Tabla 3 se presenta una terminología para describir categorías de flujo de agua en macizos rocosos considerando la manera como se presenta el flujo y su efecto en los rellenos.

245

Tabla 3 Categorías de flujo de agua en macizos rocosos Categoría DISCONTINUIDADES SIN RELLENO DISCONTINUIDADES CON RELLENO

I LA DISCONTINUIDAD APARECE

MUY LIMPIA Y SECA, EL FLUJO DE

AGUA NO PARECE QUE PUEDA

OCURRIR

EL RELLENO SE ENCUENTRA

FUERTEMENTE CONSOLIDADO Y SECO, EL

FLUJO PARECE IMPOSIBLE DEBIDO A LA

BAJA PERMEABILIDAD

II LA DISCONTINUIDAD ESTA SECA

SIN EVIDENCIAS DE FLUJO DE

AGUA

EL RELLENO SE ENCUENTRA HÚMEDO

PERO NO HAY AGUA LIBRE

III LA DISCONTINUIDAD ESTA SECA

PERO MUESTRA EVIDENCIAS DE

FLUJO DE AGUA COMO

OXIDACIONES O MOHO

EL RELLENO SE ENCUENTRA MOJADO Y

EVENTUALES GOTAS DE AGUA

IV LA DISCONTINUIDAD SE APRECIA

HÚMEDA PERO NO HAY AGUA

LIBRE

EL RELLENO PRESENTA SIGNOS DE

LAVADO, FLUJO CONTINUO. SE DEBE

ESTIMAR LA CANTIDAD DE FLUJO POR

MINUTO

V LA DISCONTINUIDAD PRESENTA

FLUJO, OCASIONALES GOTAS DE

AGUA, PERO NO HAY FLUJO

PERMANENTE

EL RELLENO HA SIDO LAVADO EN

CIERTAS PARTES, EL FLUJO DE AGUA ES

CONSIDERABLE. SE DEBE ESTIMAR LA

CANTIDAD DE FLUJO POR MINUTO Y

CALIFICAR LA PRESIÓN COMO BAJA,

MEDIA O ALTA

VI LAS DISCONTINUIDAD PRESENTA

FLUJO PERMANENTE DE AGUA. SE

DEBE ESTIMAR LA CANTIDAD DE

FLUJO POR MINUTO Y CALIFICAR

LA PRESIÓN COMO BAJA, MEDIA O

ALTA

EL RELLENO HA SIDO LAVADO

COMPLETAMENTE Y LA PRESIÓN ES MUY

ALTA. SE DEBE ESTIMAR LA CANTIDAD DE

FLUJO POR MINUTO Y CALIFICAR LA

PRESIÓN COMO BAJA, MEDIA O ALTA

246

CLASIFICACIÓ� GE�ÉTICA DE LAS DIACLASAS Y OTRAS DISCO�TI�UIDADES

ESTRUCTURALES

La mayor parte de las diaclasas se forman por alivio de carga y son de tracción; otras, debidas a cargas tectónicas, son de corte. Por lo menos en el momento de formarse, las primeras son abiertas y rugosas; las segundas, cerradas y lisas, o pulidas. Estas características, sumadas a la aspereza, el grado de abertura, la debilidad en superficie y el tipo de sellante o relleno que se aloje en las aberturas, si éstas se presentan, definen en gran parte la resistencia de los macizos de roca dura a lo largo de los planos estructurales. A continuación se describen los conjuntos o sistemas de diaclasas más comunes:

E� BATOLITOS

En las masas graníticas que conforman los batolitos se reconocen 3 juegos (Figura 17A):Q y S se presentan verticales o casi verticales y corresponden a las grietas de tracción por enfriamiento; el primer juego en posición transversal a la dirección del flujo magmático; el segundo, subsecuente, en la misma dirección del flujo. Pueden estar rellenas con aplita

3 . El tercer juego, identificado con la letra

L, corresponde a las láminas de alivio; son diaclasas estrechamente juntas, cuyo intervalo aumenta en profundidad; son debidas a alivio por la descarga debido a la denudación que expone las intrusiones. Al producirse la denudación, la roca pierde progresivamente confinamiento y se expande en la dirección vertical a la exposición topográfica, única en la cual no está confinada.

E� MA�TOS DE LAVA BASÁLTICA

La disyunción columnar de los basaltos se origina por retracción, en forma algo semejante a las grietas de desecación en el fango. En un manto horizontal de basalto la solidificación ocurre cuando la temperatura desciende a 1000°C aproximadamente, y entonces se contrae en tres direcciones a 120°, dando lugar a grietas que limitan columnas hexagonales verticales. Las columnas no presentan continuidad de un manto a otro y puede ocurrir que en los contactos entre mantos se hayan desarrollado suelos.

E� PLEGAMIE�TOS SEDIME�TARIOS

En el caso de estratos plegados (Figura 17.b) se presentan tres juegos de diaclasas: el juego identificado con la letra d se origina por extensión provocada por la elongación de los pliegues paralelamente a sus ejes; el juego correspondiente a la letra s es de relajación, en sentido perpendicular al eje de los pliegues y el juego identificado con la letra t corresponde a diaclasas de tensión que se forman en el lado convexo de los pliegues, preferiblemente en su cresta; estas últimas diaclasas presentan poca continuidad. En la Tabla 4 se muestra una clasificación genética de las discontinuidades estructurales.

DIACLASAS DE ALIVIO E� LAS PAREDES DE LOS VALLES

Se trata de diaclasas de relajación de esfuerzos que se originan de forma similar a las láminas de alivio que se presentan en el techo e los batolitos, como aquellas, estas diaclasas son muy juntas y se van

3 Sellantes comunes que ocurren como diques; de grano fino, composición granítica y color claro.

247

separando progresivamente en profundidad hasta desaparecer. Su presencia en paredes de valles abruptos constituye un peligro para la estabilidad de excavaciones que puedan dejar libres estas fracturas en los cortes; en el caso de presas empotradas en estos valles con paredes abrupta, el agua del embalse puede escapar por estas paredes si previamente no se ha realizado un cuidadoso desabombe que consiste en la evacuación del material más suelto y flojo en la pared de la presa.

DIACLASAS DE ORIGE� TECTO�ICO

Corresponde a dos juegos de diaclasas cuya intercepción forma un ángulo agudo, cuyo vértice señala la dirección de máximo esfuerzo de copresión. Se forman cuando los esfuerzos de cortes generados en la compresión de las capas son suficientes para sobrepasar la resistencia al corte del material, antes que haya cesado las fuerzas que origina el plegamiento; también se interpretan estas como la expresión visible de esfuerzos residuales, remanentes en las rocas después de que cesó la deformación. Por lo general estas diaclasas son cerradas y pulidas o lisas. En las Figura 18 se presenta en forma gráfica una propuesta para evaluar la calidad de los macizos mediante el Índice Geológico de Resistencia (GSI) propuesto por Hoek (1995). Aunque se usa para evaluar la calidad de los macizos de rocas en excavaciones para túneles, constituye un buen ejemplo que ilustra la caracterización de macizos en ingeniería. Primero la roca se clasifica en 4 categorías según su estructura en (1) masa de bloques cúbicos sanos bien entreabados, con 3 juegos de diaclasas; (2) masa de bloques angulares alterados, formados por 4 ó más familias de diaclasas; (3) Masa de roca replegada y/o falada, en condición triturada y (4) Masa de roca muy desintegrada, con muy pobre entrabamiento, con mezcla de fragmentos angulares y redondeados. Para cada categoría se define una calidad particular entre buena y muy mala, dependiendo de su grado de meteorización, rugosidad y rasgos de esfuerzos.

248

Figura 17 Se ilustran los tipos de discontinuidades en batolitos y capas sedimentarias

249

TABLA 4 Clasificación genética de las discontinuidades estructurales Tipos

Rocas Igneas

Rocas Sedimentarias

Rocas Metamórficas

Discontinuidades Primarias

Batolitos Grietas Transversales Q Longitudinales S Mantos Disyunción Columnar En basaltos

Tracción por enfriamiento � Rugosas, y

Abiertas;

� Pueden estar

selladas con

aplita o

pegmatita

Capas Estratificación Laminación Discordancias

De depósito � Actitud

variable

Pizarrosidad Esquistosidad Foliación Bandeamiento Clivaje

De cambio textural � Actitud

variable

Discontinuidades Secundarias

Batolitos Láminas de alivio

Tracción por descarga � Abiertas y

rugosas, progresi-vamente más espaciadas en profundidad

Pliegues Tensión (t) Extensión (d) Relajación (s)

� Sistemas

ortogonales

Clivaje

� En las laderas abruptas se forman diaclasas de relajación; abiertas y rugosas � Las masas rocosas en general pueden estar afectadas por sistemas conjugados de diaclasas; estas fracturas

son de corte; inicialmente cerradas y lisas (o pulidas) � Las diaclasas por su extensión se clasifican en maestras, mayores, menores y microdiaclasas

251

Figura 18 Índice Geológico de Resistencia (GSI) propuesto por Hoek (1995).

Indice de Resistencia Geológica

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BLOCKY - FRAGMENTADO ENBLOQUE Bloques

aproximadamente cúbicos, bien

ajustados y muy bien entrabados,

formados por tres conjuntos de

diaclasas.

VERY BLOCKY- MUYFRAGMENTADOS EN BLOQUEBloques algo desajustados pero

aun bien entrabados, con varias

caras angulares, formados por

cuatro o más conjuntos de

diaclasas.

BLOCKY DISTURBED -FRAGMENTOS EN BLOQUEDESAJUSTADOS Bloques

angulares desajustados formados

por muchos conjuntos de

diaclasas, a causa de plegamiento

y/o fallamiento, con cizallamiento

moderado.

DESINTEGRATED - DESAJUSTADO Bloques sueltos

con entrabamiento pobre, en un

macizo muy fracturado y cizallado

con una mezcla de fragmentos de

roca angulares y redondeados.

Geological Streng Index (G.S.I)

DE

CR

EC

IMIE

NT

O D

EL

EN

TR

AB

AM

IEN

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EN

LO

S B

LO

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ES

DE

RO

CA

DECRECIMIENTO DE LA CALIDAD DE LA SUPERFICIE

ESTIMACIÓN DE LA RESISTENCIA DE UNA MASAROCOSA BASADA EN SUS CARACTERÍSTICAS.Con base en la apariencia de la roca, escoja la categoria

que mejor describe en su concepto las condiciones

promedio del macizo. Note que las caras de maci

252

CARACTERIZACIÓ� GLOBAL DE U� MACIZO ROCOSO

Todos los factores descritos sobre caracterización de las masas de roca obedecen al propósito de tomar datos para estudios semidetallados y detallados en el nivel del diseño preliminar o diseño final de las obras. La ecuación 1 define el criterio general de falla en masa rocosas de Hoek y Brown (Hoek, 1998) σ´1 = σ´3 + σ CI (mb σ´3 / σ CI + s )

a (1) donde σ´1 y σ´3 son los esfuerzos efectivos máximos en la falla, mb es el valor de la constante m de Hoek en la masa rocosa s y a son constantes que dependen de las características de la masa y σCI es la máxima resistencia a la compresión del material rocoso GSI A continuación se presenta una clasificación de la masa rocosa que tiene el propósito de tener un conocimiento muy aproximado de las resistencia de las rocas (macizos de roca dura), propuesto por Hoek (1995) La resistencia de una masa diaclasada depende de las propiedades del material rocoso y de la libertad de estos fragmentos de roca a rotar o deslizar bajo diferentes condiciones de esfuerzos. La libertad está controlada por la forma geométrica de los fragmentos de roca y por las condiciones de las superficies que separan los bloques. Así por ejemplo fragmentos angulares de roca con superficies limpias y rugosas resisten más al desplazamiento que aquellas que contienen fragmentos redondeados por acción de la meteorización con algún tipo de relleno. El índice GSI de Hoek (1995) proporciona un sistema para estimar la reducción en la resistencia de la masa para diferentes condiciones geológicas. El sistema de evaluación en el campo se muestra en la Tabla XIV Una vez se ha estimado el valor del GSI, se pueden calcular los parámetros que describen las características de resistencia de la masa rocosa, a partir de las siguientes expresiones: mb = mi exp (GSI –100/28) (5) mi se obtiene de la tabla 11.3 (pag 143 Rock Engineering Hoek 1998) GSI se obtiene de la tabla XIV Para GSI > 25, (un macizo de buena calidad) el criterio de Hoek se aplica con: s = exp (GSI –100/9) (3) y a= 0.5

253

Para GSI < 0.25 (un macizo de pobre calidad) se aplica con: S = 0 (4) y a = 0.65 - GSI / 200 (5) Los valores obtenidos se reemplazan en la ecuación 1.

CLASIFICACIÓ� Y CARACTERIZACIÓ� DE MACIZOS ROCOSO

Desde la aparición de la clasificación de rocas de Terzaghi (1946), propuesta para calcular cargas de roca sobre arcos metálicos de túneles, han aparecido numerosas clasificaciones semejantes. De las últimas conocidas vale la pena destacar la del CSIR (consejo Surafricano para Investigación Científica e Industrial), desarrollada por Bienawski y la del NGI (Instituto Geotécnico Noruego) propuesta por Barton, Lien y Lunde. Ésta última se basa en la siguiente expresión:

SRF

Jw

Ja

Jr

Jn

RQDQ ⋅⋅=

(5)

El primer término RQD/Jn representa el tamaño de los bloques; el segundo, Jr/Ja, representa la resistencia al corte entre bloques, como una medida de la rugosidad y demás características friccionantes de las paredes de las diaclasas (en este caso el macizo mejora mientras mayor sea la rugosidad y menor su alteración); el tercer factor, Jw/SRF, representa un factor de esfuerzos activos, el cual corresponde a un parámetro de fuerzas que depende de la presión del agua que tiene efecto negativo en la resistencia y de tres valores de esfuerzos: la carga que se disipa en una excavación; el efecto de esfuerzos sobre rocas competentes y el efecto de esfuerzos sobre rocas plásticas incompetentes. En la Tabla 5 se presenta la manera como se evalúan los macizos rocosos según la propuesta NGI. Para tener una estimación del RQD, se puede usar la siguiente expresión: JvRQD ⋅−= 3.3115 (6)

donde Jv corresponde a la cantidad de discontinuidad por metro cúbico.

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Tabla 5 Clasificación de macizos rocosos (�GI)

Tabla 5 Clasificación de macizos rocosos (�GI)