TEMA 13 El Macizo Rocoso

EL MACIZO ROCOSO

GEOLOGA APLICADA A LA INGENIERA

QU ES UN MACIZO ROCOSO?

! Conjunto de rocas, surcado por fallas, diaclasas, superficies de estratificacin o esquistosidad, que constituyen el conjunto de discontinuidades.

! En contraposicin: la roca matriz o intacta es la materia prima del material, cuyos fragmentos enteros pueden llevarse a laboratorio.


INTRODUCCIN

! El estudio de un macizo rocoso, adems de implicar al material de que est compuesto (roca matriz), requiere el conocimiento de la disposicin a nivel micro y macro estructural (discontinuidades) de la roca matriz, adems de otros condicionantes como los estados tensionales y la presencia o no de agua subterrnea.

! Estudiaremos las propiedades bsicas de la roca. Roca Matriz. Descriptivas (tipo roca, color, tamao grano, textura,

estructura, meteorizacin, alteracin) , Cuantificables (dureza, porosidad, durabilidad, densidad, resistencia, velocidad snica, mdulo elasticidad, permeabilidad)

Discontinuidades. Tipo, nmero, situacin, y orientacin, frecuencia, apertura, persistencia, rugosidad, relleno, meteorizacin, alteracin.


! Hay que considerar que segn a la escala que trabajemos existe una transicin entre roca inalterada y macizo rocoso:


INTRODUCCIN


INTRODUCCIN

DEFINICIN


Desde el punto de vista geolgico una roca es un agregado de minerales que presentan los mismos caracteres de un conjunto en un rea de cierta extensin de la corteza terrestre. Desde una vista geotcnica, donde la resistencia a compresin simple del material es diferenciador de suelos y rocas. La definicin de matriz rocosa sera igual a la anterior con el matiz de la resistencia.

Macizo rocoso o masa rocosa conjunto constituido por una o varias matrices rocosa que presentan una determinada estructura, est afectado por un cierto grado de alteracin y por una serie de discontinuidades.

CLASIFICACIN ROCAS


Atendiendo a su origen y formacin.

Rocas gneas. Enfriamiento magna, composicin funcin velocidad enfriamiento

Rocas sedimentarias. Originan de masas roca preexistentes, con transporte, deposicin y diagnesis de los materiales procedentes de la fragmentacin y/o cambio qumico de dichas masas a travs de meteorizacin

Rocas metamrficas. Se originan por el aumento de calor y/o presin de las rocas existentes.

CICLO ROCAS


CLASIFICACIN ROCAS


CLASIFICACIN ROCAS ISRM

Propone una clasificacin atendiendo al grupo gentico y al tamao de grano.

CLASIFICACIN ROCAS


CLASIFICACIN ROCAS ISRM

P r o p o n e u n a c l a s i f i c a c i n atendiendo al grupo gentico y al tamao de grano.

CLASIFICACIN DE DEERE Y MILLER

Basada en l a res i s tenc ia a compresin simple y el mdulo de elasticidad (mdulo tangente para el 50 % de la resistencia a compresin simple).

CLASIFICACIN ROCAS


CLASIFICACIN ROCAS SEGN SU RESISTENCIA

METEORIZACIN


Meteorizacin es la desintegracin y/o descomposicin de los materiales geolgicos en superficie. Los procesos de meteorizacin de las rocas dan lugar finalmente a los suelos.

METEORIZACIN


PROPIEDADES NDICE


POROSIDAD

Volumen huecos respecto volumen total, ndice calidad roca . En genera l a l tas p o r o s i d a d e s e n r o c a s s e d i m e n t a r i a s c o m o areniscas, y bajas en rocas gneas/metamrficas

PROPIEDADES NDICE


POROSIDAD-VELOCIDAD ONDAS SSMICAS

Porosidad-velocidad ondas ssmicas

PROPIEDADES NDICE


DENSIDAD

Depender de los pesos especficos de los granos minerales que lo forman y adems estar influenciada por la porosidad que posea.

La densidad media es de 26 kN/m3

QU ES UNA CLASIFICACIN GEOMECNICA?

! Con el estado actual de conocimiento en Mecnica de Rocas, as como por la dificultad de definicin y obtencin de parmetros y modelos que representen el comportamiento real de los macizos rocosos, resulta difcil establecer modelos analticos del comportamiento del macizo que sean reflejo fiel de ste, cuando se trata de resolver problemas de estabilidad o dimensionamiento de obras a cielo abierto o subterrneas (tneles, taludes, ...).


! Sin embargo, es posible un planteamiento emprico, llegndose al diseo en base a la experiencia de obras interiores.

! Ambos mtodos, analtico y emprico, distan mucho de la perfeccin en la actualidad, realizndose generalmente una aplicacin conjunta de dichos mtodos.

! Aunque existen diversos tipos de clasificaciones de rocas que contemplan algn aspecto de las mismas, gnesis, resistencia a compresin simple, etc, es evidente la necesidad de clasificaciones ms globales, que se refieran al macizo rocoso en su conjunto, con el fin de que la imagen que transmita sea ms aplicada, estableciendo un lenguaje nico, transmisible de unos tcnicos a otros.

! Estas clasificaciones, denominadas geomecnicas, nacieron en los aos setenta para ser aplicables directamente en obras subterrneas.

! Realmente, estas clasificaciones nacen mucho antes, aunque de forma simplificada, con la de Terzaghi (1946) y Lauffer (1958).


! De tal modo, que las clasificaciones geomecnicas surgieron de la necesidad de parametrizar observaciones y datos empricos de forma integrada para evaluar las medidas de sostenimiento en tneles.


! LAS CLASIFICACIONES GEOMECNICAS SON UN MTODO DE INGENIERA GEOLGICA QUE PERMITE EVALUAR EL COMPORTAMIENTO GEOMECNICO DE LOS MACIZOS ROCOSOS.

! Este comportamiento incluye la estimacin de los parmetros geotcnicos de diseo, o el tipo de sostenimiento en un tnel.

! Se puede decir que hoy da las clasificaciones geomecnicas son un mtodo de uso generalizado en el proyecto y construccin de tneles, y que gracias a ellas es posible un mejor conocimiento e interpretacin de los datos geolgico-geotcnicos en el diseo y excavacin de las obras subterrneas.

! Su uso se ha extendido a otras aplicaciones adems de las obras subterrneas, y entre ellas se destacan las aplicaciones a taludes y cimentaciones.

! Aunque las clasificaciones llevan ms de 40 aos en uso, es a partir de la dcada de los 70 cuando su uso se ex t iende internacionalmente.


! La sencillez de los mtodos propuestos por Bieniawski (1973) y Barton et al. (1974) contribuyeron definitivamente a su rpida aceptacin y expansin.

! En Espaa la aplicacin de las clasificaciones se inicia en el ao 1976 y las primeras publicaciones datan del Simposio de Usos Industriales del Subsuelo de la S.E.M.R. en 1981.

! Los autores espaoles han realizado significativas aportaciones. Se ha desarrollado la clasificacin SRC aplicada a tneles a partir de datos de superficie (Gonzlez de Vallejo, 1982 y 1983), y el ndice SMR para taludes (Romana, 1985).

! Entre otras contribuciones se destacan las realizadas para medidas de sostenimiento en tneles (Moreno, 1981 y 1982), el dimensionamiento de galeras mineras (Abad et al., 1983), y la publicacin de dos trabajos monogrficos de investigacin en la Universidad Complutense de Madrid sobre clasificaciones: Muoz (1987) y Encinas (1992).


PARMETROS BSICOS CONTEMPLADOS EN LAS CLASIFICACIONES GEOMECNICAS

! Espaciado de discontinuidades. ! Orientacin de discontinuidades. ! Condiciones de las discontinuidades

(continuidad, separacin rugosidad, meteorizacin y relleno).

! Estructura geolgica y fallas individuales. ! Filtraciones. ! RQD. ! Resistencia del material rocoso. ! Estado tensional.



! Resistencia a compresin simple UNE 22950-1


! Probetas cilndricas, >50 mm, h2,5 ! No debe contener discontinuidades

geolgicas que la atraviesen

! Superficies de contacto roca/prensa planas ! Velocidad de carga constante 0,5-1 Mpa/s


! Espaciado de discontinuidades. Mnima distancia entre dos discontinuidades adyacentes de una misma familia.


Extremadamente prximo 6m


! Caractersticas de las juntas. Rugosidad, apertura, relleno y flujo de agua. La rugosidad de una junta es un componente importantsimo en la resistencia a corte, importancia que disminuye con la apertura, el espesor de rellenos. La rugosidad de una junta puede provocar comportamientos dilatantes cuando se somete a esfuerzos cortantes en su plano de junta.



! Apertura. Distancia perpendicular que separa las paredes adyacentes de una discontinuidad cuando no existe material de relleno.



! Relleno. Material de naturaleza distinta a la roca que aparece entre las paredes de una discontinuidad. La presencia de relleno gobierna el comportamiento de la discontinuidad.



! Filtraciones. El agua se infiltra en un macizo rocoso procede en su mayor parte del flujo que circula por las discontinuidades (permeabilidad secundaria). En ciertas rocas sedimentarias (areniscas porosas) las filtraciones a lo largo de la matriz pueden ser importantes. A continuacin se representa un modo de descripcin del flujo entre juntas:


ESTACIONES GEOMECNICAS

! Estadillo de datos:


! Representacin grfica (estadstica) de los datos:


RQD (ROCK QUALITY DESIGNATION)

! Es un ndice de calidad de la roca, funcin de las discontinuidades que presenta, definido por Deere (1967).

! Es definido como la longitud suma de todos los trozos de testigo, obtenidos en un sondeo, de 10 cm o mayores, expresado como porcentaje de la longitud sondeada.


RQD (ROCK QUALITY DESIGNATION)


CLASIFICACIONES GEOMECNICAS EN USO

! De este cuadro resumen caben destacar tres clasificaciones:

" Bieniawski (1973, 1979) " Barton et al. (1975) "Gonzalez de Vallejo (1984)

! Adems a modo de inventario, y con aplicacin exclusiva en taludes en roca, podemos destacar la clasi f icacin propuesta por Romana (1985).


CLASIFICACIN GEOMECNICA DE BIENIAWSKI (RMR)

! Desarrollada en Sudfrica a partir de cuarenta y cinco (45) tneles por Bieniawski en 1973, y posteriormente revisada por el mismo autor en 1979.

! Constituye un sistema de clasificacin de macizos rocosos que permite a su vez relacionar ndices de calidad con parmetros de diseo y de sostenimiento. Bieniawski aconseja que una clasificacin de un macizo rocoso fisurado debe:

" Dividir el macizo en grupos de comportamiento parecido. " Proporcionar a buena base para la comprensin de las caractersticas del macizo.

" Facilitar el diseo de estructuras en la roca al proporcionar datos cuantitativos que se necesitan para la solucin de problemas de ingeniera.

" Proporcionar una base comn de comunicacin efectiva para todas las personas interesadas en un problema de geomecnica.


! Bieniawski propuso cinco parmetros bsicos: 1. Resistencia uniaxial de la roca matriz: Bieniawski emplea la

clasificacin de la resistencia a la compresin uniaxial de la roca que proponen Deere y Miller (1966). Como alternativa se puede utilizar la clasificacin de carga puntual para cualquier tipo de roca, excepto la muy dbil.

2. RQD 3. Espaciados de las discontinuidades 4. Condiciones de las discontinuidades. Este parmetro toma en

cuenta la abertura de las discontinuidades, la rugosidad de su superficie, su continuidad, el estado de las paredes (duras o blandas) y la presencia de relleno.

5. Condiciones del agua subterrnea (hidrogeolgicas) ! La incidencia de estos parmetros en el comportamiento de la

excavacin se expresa por medio de un ndice de calidad denominado Rock Mass Rating (RMR) que vara de 0 a 100.

! Para aplicar esta clasificacin se divide el macizo rocoso a lo largo del eje del tnel, en un nmero de tramos que presenten caractersticas geolgicas ms o menos uniformes.


! La obtencin del ndice RMR se presenta en el cuadro siguiente:

U n a v e z o b t e n i d a s l a s puntuaciones resultado de aplicar l o s c i n c o p a r m e t r o s d e c l a s i f i c a c i n , s e e f e c t a l a correccin por orientacin de discontinuidades y se obtiene un valor numrico con el que se entra en la clasificacin.

E s t a c l a s i f i c a c i n d i s t i n g u e c inco c lases de roca y sus correspondientes ndices RMR.

E l s i g n i f i c a d o g e o t c n i c o s e expresa en el cuadro de las caractersticas geotcnicas, en donde se incluye la cohesin, rozamiento interno y estabilidad.


! Bieniawski reconoci que cada parmetro no contribuye necesariamente de igual manera al comportamiento del macizo. Por ejemplo, un RQD de 90 y una resistencia a la compresin uniaxial de 200 MPa pareceran indicar una roca de calidad excelente, pero una infiltracin elevada en esta misma roca puede cambiar radicalmente esta opinin.

! Cierto nmero de puntos o una valoracin se otorga a cada serie de valores de cada parmetro y se llega a una valoracin general del macizo al sumarse la valoracin de cada uno de los parmetros.

! Esta valoracin general necesita un ajuste por el concepto de la orientacin de las discontinuidades, que se logra cuando se aplican las correcciones incluidas en la tabla.

! La parte siguiente de la tabla muestra la clasificacin y la descripcin del macizo rocoso segn las distintas valoraciones totales. Por ltimo, se da una interpretacin de estas valoraciones en trminos del tiempo de mantenimiento para las excavaciones subterrneas y los parmetros de resistencia del macizo rocoso.


CLASIFICACIN GEOMECNICA DE BARTON et al. (SISTEMA Q)

! Desarrollado en Escandinavia a partir de doscientos (200) casos de excavaciones subterrneas, por Barton et al. (1975), constituye un sistema de clasificacin de macizos rocosos, que permite establecer sistemas de sostenimiento para tneles.

! El valor numrico de este ndice Q se define por:

donde:

Jn = nmero de sistemas de discontinuidades (joint set number). Jr = nmero de la rugosidad de las discontinuidades (joint roughness number).

Ja = nmero de la alteracin de las discontinuidades (joint alteration number).

Jw = factor de reduccin por agua en las discontinuidades (joint water reduction factor).

SRF = factor de reduccin por esfuerzos (stress reduction factor).


! La obtencin del ndice Q se presenta en el cuadro siguiente:

P o r l o t a n t o , e l n d i c e d e calidad de la roca Q, para los tneles, puede considerarse como u n a f u n c i n d e s l o t r e s parmetros, que son medidas aproximadas de:

- El tamao de los bloques:

- L a r e s i s t e n c i a a l e s f u e r z o cortante entre bloques:

- Los esfuerzos activos:


! El rango de variacin de los parmetros es el siguiente: RQD: entre 0 y 100 Jn: entre 0,5 y 20

Jr: entre 0,5 y 4

Ja: entre 0,75 y 20

Jw: entre 0,05 y 1

SRF: entre 0,5 y 20

! El ndice Q vara entre 0,001 y 1000. Este intervalo se divide en 9 que dan lugar a la siguiente clasificacin cualitativa:

Entre 0,001 y 0,01: Roca excepcionalmente mala

Entre 0,01 y 0,1: Roca extremadamente mala

Entre 0,1 y 1: Roca muy mala

Entre 1 y 4: Roca mala

Entre 4 y 10: Roca media

Entre 10 y 40: Roca buena

Entre 40 y 100: Roca muy buena

Entre 100 y 400: Roca extremadamente buena

Entre 400 y 1000: Roca excepcionalmente buena


CORRELACIONES ENTRE LOS NDICES RMR Y Q ! Se han propuesto distintas correlaciones empricas para RMR y Q, algunas de las ms

caractersticas son las siguientes:

RMR= 9Ln Q+44(Bieniawski, 1979) (Surfrica)

RMR= 59 Ln Q+43 (Rutledge y Preston, 1979) (Nueva Zelanda)

RMR= 54 Ln Q+552 (Moreno, 1981) (Asturias, Pajares)

RMR= 105 Ln Q+418 (Abad et al., 1983) (Asturias, cuenca carbonfera)

RMR= 5 Ln Q+608 (Cameron y Budavari, 1981) (Surfrica)

! La descripcin de ambas clasificaciones tendra las siguientes equivalencias:

! Tanto en las correlaciones empricas como en la descripcin cualitativa, ambas clasificaciones no coinciden ni en sus clases ni en sus coeficientes de regresin. Kaiser y Gale (1985) basndose en los estudios probabilsticos han propuesto una nica relacin segn la expresin: RMR= 85 Ln Q + 35


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