MACIZOS ROCOSOS

República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria

Universidad Politécnica del Norte del Estado Monagas “Ludovico Silva”Ingeniería en Construcción Civil

Caripito. Edo. Monagas

Autor: Zaidin Amarista

Indicepag

1.1 Definición de Macizos Rocosos.......................................... 1 2.1Clasificación de los Macizos Rocosos......................................2-4

3.1 Resistencia del Material Rocoso.................................................4 4.1 Nivel de Esfuerzos......................................................................5 5.1 Factores geométricos...................................................................5 5.2 Orientación................................................................................. 6 5.3 Espaciamiento..............................................................................7 6 Persistencia..................................................................................7 7 Flujo de Agua............................................................................7-8 8 Descripción de las discontinuidades..................................................8 9 Orientación................................................................................8-9 10 Espaciado.................................................................................9-10 11 Rugosidad..............................................................................11-12 12 Parámetros del macizo rocoso.............................................12-17 12.1 Número y orientación de familias de discontinuidades.....13-14 12.2 Tamaño de bloque y grado de fracturación....................... 14-16 12.3Grado de meteorización .....................................................16-17

1.1 Definición de Macizos Rocosos

Se define como el conjunto constituido por una o varias matrices rocosas que presentan una determinada estructura, está afectado por un cierto grado de alteración y por una serie de discontinuidades,es decir:

ROCA+ALTERACIÓN+ DISCONTINUIDADES

En geología, macizo es una sección de la corteza terrestre, que está demarcada por fallas o fisuras, en áreas rocosas, o en materiales sólidos. En el movimiento de la corteza, un macizo tiende a retener su estructura interna al ser desplazado en su totalidad. El término es usado también para referirse a un grupo de montañas formadas por tal estructura. El macizo es una unidad estructural de la corteza, menor que las placas tectónicas.

Macizo Guayanés:

Es mucho menos extenso y variado en cuanto a composición de rocas y formas de relieve. Las mesetas de areniscas predominan en el interior y su orientación está influida por diversos dorsos montañosos existentes en esta parte (sudoeste), que superan en altura a los del macizo brasileño. En la figura 1 se observa el monte Roraima, Venezuela esta marca un hito fronterizo entre Brasil, Guyana y Venezuela, junto con el monte de la Neblina (3014 m) constituyen los altos topográficos

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del macizo. Hacia el este aparecen las rocas del núcleo antiguo, cuyas formas macizas dominan las llanuras costeras que han sido siempre el foco de la actividad humana.

figura1

2.1 Clasificación de los Macizos Rocosos

Se usa para predecir el comportamiento masivo de la roca en un área donde el sistema de clasificación es identificable, permitiendo la mejor planificación y diseño antes de iniciar una obra o mina. En la clasificación deben estar reconocidas las propiedades mas significativas y se considera que las comunes y fácilmente determinables son:

a) La resistencia de sustancia de rocas.b) Las características de deformación de la sustancia de roca antes y después de la falla.c) La homogeneidad anisotropíca .

En este ultimo inciso quedan comprendidas las características generales del macizo rocoso por que es conveniente definir algunos conceptos.

-Heterogéneo: sus constituyentes son de diferente naturaleza de manera que los especímenes pequeños no representan al todo.

-Homogéneo: sus constituyentes son de la misma naturaleza y estan distribuidos de manera que los

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especímenes pequeños representan verdaderamente a un todo.

-Isotropico: despliega las misma propiedades físicas en cualquier dirección. Si las partículas, cristales, poros o micro fracturas tienen una orientación aleatoria una sección del material deberá exponer un arreglo similar independiente a la dirección.

-Anisotropico: contiene orientación preferencial de sus constituyentes causada por procesos geológicos de sedimentación o metamorfismo las propiedades físicas desplegadas por tales rocas son variables dependiendo de la dirección de las mediciones.( ver figura 2).

figura 2

un nuevo sistema de clasificación de las rocas, también conocido como CSIR ( South african council for scientific and industrial research) consta de 6 parámetros de la roca uno de los cuales es el rumbo y echando de las fisuras su uso esta propuesto originalmente para la aplicación en túneles.

Bieniawski aconseja que una clasificación de un macizo rocoso fisurado debe:

1.dividir el macizo en grupo de comportamiento parecido.2.proporcionar una buena base para la compresión para las características del macizo.3.facilitar la planeación y el diseño de estructuras en la roca al proporcionar datos cuantitativos que se necesitan para la solución de problemas de ingeniería.4.proporcionar una base común de comunicación efectiva para todas las personas interesadas en un

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problema geomecanico.

Para cumplir con estos requisitos Bieniawski propuso originalmente que su clasificación comprendería los siguientes parámetros:

1-RQD (indice de calidad de la roca).2-Grado de meteorización.3-Resistencia a la compresión uniaxial de la roca inalterada.4-Distancia entre las fisuras y la estratificación .5-Continuidad de las fisuras.6-infiltración de aguas subterráneas.

3.1 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:

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 acrecianta con el

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acrecienta con el grado de consolidación: arcillolita, lodolita y limolita/shales arcilloso y shale lodoso/argilita.

4.1 Nivel 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 600mpara las cuales las presiones litostáticas varían entre

75 y 150 Kg/cm2. Teniendo en cuenta la siguiente relación empírica entre la presión vertical (σv) y la resistencia a lacompresión simple (σc): σv/σc > 0.2 (valida para rocas de alta resistencia como la cuarcita)

5.1Caracteristicas de la discontinuidades estructurales

Las características de las discontinuidades estructurales se pueden agrupar de la manera siguiente: -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.-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.

5.2 Factores geométricosComprende 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

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roca aislados entre discontinuidades.

5.3 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 definidosbásicamente por la interacción geométrica de los planos estructurales y la geometría del talud de corte.

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5.4 Espaciamiento

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

6 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 superficiepotencial 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.

7 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 queoperan como cuñas hidráulicas. En este caso la ecuación que expresa la relación τ – σ

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la presión del agua. se modifica, teniendo en cuanta la influencia de τ = c + (σ − u ) tg(φ + i )⋅ (4)En los suelos el flujo de agua es relativamente isotrópico y el nivel freático corresponde al nivel quealcanza 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 lasdiscontinuidades. 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.

8 Descripción de las discontinuidades

Las discontinuidades condicionan de una forma definitiva las propiedades y el comportamiento resistente, deformacional e hidráulico de los macizos rocosos. La resistencia al corte de las discontinuidades es el aspecto más importante en la determinación de la resistencia de los macizos rocosos duros fracturados, ypara su estimación es necesario definir las características y propiedades de los planos de discontinuidad. La descripción y medida de estos parámetros para cada familia debe ser realizada en campo: • Orientación • Espaciado • Continuidad o persistencia • Rugosidad • Resistencia de las paredes • Abertura • Relleno • Filtraciones

Algunos de estos parámetros, como la rugosidad, resistencia de las paredes, apertura y relleno, determi-nan el comportamiento mecánico y la resistencia al corte de las discontinuidades.

9 OrientaciónLas discontinuidades sistemáticas se presentan en familias con orientación y características más o

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menos homogéneas. La orientación relativa y el espaciado de las diferentes familias de un macizo rocoso definen la forma de los bloques que conforman el macizo. La orientación de las discontinuidades con respecto a las estructuras u obras de ingeniería condiciona la presencia de inestabilidades y roturas a su favor. La orientación de una discontinuidad en el espacio queda definida por su dirección de buzamiento (dirección de la línea de máxima pendiente del plano de discontinuidad respecto al norte) y por su buzamiento (inclinación respecto a la horizontal de dicha línea). Su medida se realiza mediante la brújula con clinómetro o con el diaclasímetro.La dirección de buzamiento se mide siguiendo la dirección de las agujas del reloj desde el norte, y varía entre 0° y 360°. EI buzamiento se mide mediante el clinómetro, con valores entre 0° (capa horizontal) y 90° (capa vertical). Los valores de dirección de buzamiento y buzamiento se suelen registrar en este orden en los estadillos, indicando el tipo de discontinuidad al que corresponden los valores. Por ejemplo, la notación S0 270°/60° indica un plano de estratificación con un buzamiento de 60° según una dirección de 270°.

Medida de la orientación de discontinuidades

10 Espaciado

El espaciado entre los planos de discontinuidad condiciona el tamaño de los bloques de matriz rocosa y, por tanto, define el papel que ésta tendrá en el comportamiento mecánico del macizo rocoso, y su importancia con respecto a la influencia de las

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discontinuidades.

En macizos rocosos con espaciados grandes, de varios metros, en los procesos de deformación y rotura prevalecerán las propiedades de la matriz rocosa o de los planos de discontinuidad según la escala de trabajo considerada y la situación de la obra de ingeniería con respecto a las discontinuidades; si los espaciados son menores, de varios decímetros a 1 ó 2 metros, el comportamiento del macizo lo determinarán los planos de debilidad; por último, si el espaciado es muy pequeño el macizo estará muy fracturado y presentará un comportamiento «isótropo», controlado por las propiedades del conjunto de bloques más o menos uniformes.

Ejemplos de espaciados de discontinuidades en afloramientos. a) Espaciado «muy junto» (5 cm) en lafamilia principal de discontinuidades con dirección perpendicular a la regla; b) Macizo calizo con dos familiasprincipales de discontinuidades, una vertical con continuidad «media» y una horizontal con continuidad «muy baja», ambas con espaciado «muy junto» y formando bloques «muy pequeños»; c) Macizo cuarcítico de buena calidad condiscontinuidades horizontales y verticales«separadas», con espaciados del orden de 0,5-1 metro. 10

11 Rugosidad

La descripción y medida de la rugosidad tiene como principal finalidad la evaluación de la resistencia al corte de los planos, τ, que para discontinuidades sin cohesión puede ser estimada a partir de datos de campo y de expresiones empíricas,. La rugosidad aumenta la resistencia al corte, que decrece con el aumento de la abertura y, por lo general, con el espesor de relleno.

Diagramas mostrando distintos modelos de continuidad o persistencia de varias familias dediscontinuidades (ISRM. 1981).

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a) Discontinuidad «ondulada-lisa» con «alta continuidad» en un macizo volcánico; b) discontinuidad «plana-rugosa» en cuarcitas. Los elementos de escala de las fotografías corresponden a 2 m y 30 cm respectivamente.

Alteración por oxidación en las superficiesde discontinuidad de un macizo rocoso de cuarcitas, mientras que la matriz rocosa permanece fresca.

12 Parámetros del macizo rocoso

Para la caracterización global del macizo rocoso a partir de datos de afloramientos, además de la descripción de sus componentes, la matriz rocosa y las discontinuidades, deben ser considerados otros factores representativos del conjunto, como son:

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• Número y orientación de las familias de discontinuidades. • Tamaño de bloque e intensidad de fracturación. • Grado de meteorización.

12.1 Número y orientación de familias de discontinuidades

El comportamiento mecánico del macizo rocoso, su modelo de deformación y sus mecanismos de rotura están condicionados por el número de familias de discontinuidades. La orientación de las diferentes familias con respecto a una obra o instalación sobre el terreno puede determinar, además, la estabilidad de la misma. La intensidad o grado de fracturación y el tamaño de los bloques de matriz rocosa vienen dados por el número de familias de discontinuidades y por el espaciado de cada familia.

Cada una de las familias queda caracterizada por su orientación en el espacio y por las propiedades y características de los planos.

En los reconocimientos de campo de los macizos rocosos deben ser registradas todas las familias pre-sentes, y evaluar su grado de importancia relativa. Este grado puede expresarse mediante la asignaciónde números correlativos para las familias de mayor a menor importancia. Así, la familia principal (conmayor continuidad, menor espaciado, mayor abertura, etc.) sería la familia número uno.

El macizo puede clasificarse por el número de familias, variando entre macizos rocosos masivos o con una única familia de discontinuidades, por ejemplo un macizo rocoso granítico, y macizos con cuatro o más familias de discontinuidades, como puede ser un afloramiento de pizarras plegado e intensamente fracturado.

La presencia de tres familias principales de discontinuidades ortogonales entre sí es frecuente en los macizos rocosos sedimentarios, siendo una de las familias la estratificación.

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Tipo de macizo rocoso Número de familias I Masivo, discontinuidades ocasionales II Una familia de discontinuidades III Una familia de discontinuidades más otras ocasionales. IV Dos familias de discontinuidades. V Dos familias de discontinuidades más otras ocasionales. VI tres familias de discontinuidades. VII tres familias de discontinuidades más otras ocasionales. VIII Cuatro o más familias de discontinuidades. IX Brechificado.

Clasificación de macizos rocosos por el número de familias de discontinuidades

12.2 Tamaño de bloque y grado de fracturación

El tamaño de los bloques que forman el macizo rocoso condiciona de forma definitiva su comportamiento y sus propiedades resistentes y deformacionales. La dimensión y la forma de los bloques están definidaspor el número de familias de discontinuidades, su orientación, su espaciado y su continuidad. La descripción del tamaño de bloque se puede realizar de las siguientes formas:

Representación del número de familias mediante bloques diagramas.

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• Mediante el índice de tamaño de bloque Ib, que representa las dimensiones medias de los bloques tipo medidos en el afloramiento. Por ejemplo, en el caso de una roca sedimentaria con planos de estratificación y con dos familias de discontinuidades perpendiculares entre sí, el índice Ib vendría definido por: Ib = (e1 + e2 + e3)/3

siendo e1 e2 y e3 los valores medios del espaciado de las tres familias de discontinuidades.

• Mediante el parámetro Jv, que representa el número total de discontinuidades que interceptan una unidad de volumen (1 m3) del macizo rocoso. Ante la dificultad de observar tridimensionalmente unafloramiento, el valor de Jv se suele determinar contando las discontinuidades de cada familia que interceptan una longitud determinada, midiendo perpendicularmente a la dirección de cada una de lasfamilias (o en su defecto realizando la corrección necesaria con respecto a la dirección aparente demedida):

no de discontinuidades JV =Σ ---------------------------------- longitud de medidaPor ejemplo, para un macizo con tres familias de discontinuidades (J1, J2 y J3): JV = (no J1/L1) + (no J2/L2) + (no J3/L3)

La longitud a medir dependerá del espaciado de cada familia, variando normalmente entre 5 y 10 metros. De forma más rápida, aunque menos exacta, también puede estimarse el valor de Jv contando el número total de discontinuidades que interceptan una longitud L en cualquier dirección de interés (cortando almayor número posible de planos), correspondiendo este valor a la frecuencia de discontinuidades, λ:

no de discontinuidades λ = ---------------------------------- L (m)El valor de Jv se relaciona con el tamaño de los bloques según el Cuadro 11; los valores mayores de 60 corresponden a un macizo rocoso brechificado.

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

a) Macizo rocoso volcánico masivo con bloques muy grandes; b) macizo dolomítico triturado, con bloques muy pequeños;(fotos M. Ferrer).

12.3Grado de meteorización

La evaluación del grado de meteorización del macizo rocoso se realiza por observación directa

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del afloramiento y comparación con los índices . En ocasiones puede ser necesario fragmentar un trozo de roca para observar la meteorización de la matriz rocosa.

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

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13 Clasificación geomecánica y caracterización global del macizo rocoso

La descripción y medida de las características y propiedades de la matriz rocosa y de las discontinuidades y de los parámetros del macizo rocoso, proporcionan los datos necesarios para laevaluación geomecánica global del macizo. A partir de estas datas, la aplicación de las clasificacionesgeomecánicas permite estimar la calidad y los parámetros resistentes aproximados del macizo, entérminos de cohesión y fricción, Para completar la caracterización global del macizo rocoso es también necesario evaluar otros aspectosque, en gran manera, influyen en su comportamiento mecánico, como son:

• Resistencia y deformabilidad • Comportamiento hidrogeológico • Estado tensional

Estos factores no pueden ser cuantificados a partir de datas de afloramientos, pero sí pueden ser realiza-das observaciones que permitan conocer, al menos de una forma cualitativa, las características correspondientes de los macizos rocosos.La determinación de la resistencia y deformabilidad de un macizo rocoso fracturado puede ser compleja al depender de las propiedades resistentes de la matriz rocosa y de las discontinuidades, más aún considerando los diversos tipos y características de éstas últimas que pueden coexistir en el macizo. La existencia de zonas tectonizadas, alteradas, de diferente composición, húmedas y la presencia de estructuras asociadas a los materiales rocosos (pliegues, fallas, diques), implican zonas de debilidad y anisotropía con diferentes comportamientos y características resistentes y deformacionales.acizos rocosos blandos, la matriz rocosa juega un papel más importante en cuanto que la diferencia entre su resistencia y la de las discontinuidades es menor. En estos casos, la resistencia del macizo viene caracterizada por la de la matriz rocosa o por una combinación de la resistencia de la matriz rocosa y de las discontinuidades.

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