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2º Curso I.C. – E.T.S.I.C.C.P. MECÁNICA DE ROCAS GEOTECNIA Y CIMIENTOS I Transparencias de clase
José Bernardo Serón Gáñez M. Elvira Garrido de la Torre Departamento de Ingenieria del Terreno – U.P.V.
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SUMARIO
q INTRODUCCIÓN
§ Los conceptos de roca, matriz rocosa y macizo rocoso § Esquema del “macizo rocoso”
q PROPIEDADES DE LA MATRIZ ROCOSA
§ Clasificación de las rocas § Fisonomía de las rocas § Meteorización y alteración § Propiedades índice § Resistencia § Dureza y abrasividad
q PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES
§ Las discontinuidades del macizo rocoso § Orientación y número de familias § Espaciamiento, continuidad y tamaño de bloque § Recuperación y RQD § Rugosidad, apertura y relleno § Alteración y resistencia
q CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS
§ ¿Qué son las clasificaciones geomecánicas? § Principales clasificaciones § La clasificación RMR de Bieniawski § La clasificación Q de Barton § La clasificación SMR de Romana
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INTRODUCCIÓN
Cualquier actuación de ingeniería civil, superficial o subterránea, sobre la masa
rocosa de la corteza terrestre, requiere el conocimiento íntimo de las propiedades de
dicha masa; bien a nivel descriptivo (cualitativo o, como mucho, semi-cuantificable) o
bien a nivel cuantitativo, mediante índices precisos, directamente involucrados en el
cálculo.
El estudio de un macizo rocoso, además de implicar al “material” de que está
compuesto (roca matriz), requiere el conocimiento de la disposición a nivel micro y
macroestructural (discontinuidades) de la roca matriz, amén de todos los condicionantes
geológicos locales o regionales (fundamentalmente: estados tensionales y agua
subterránea).
Se dispondrá, en mayor o menor medida, de todos estos elementos cuando se
conozcan las denominadas propiedades básicas de la roca; en algunos casos se
considerará bajo el término “básico” la acepción de elemental, en otros la de
imprescindible y ambas en bastantes ocasiones, dependiendo del nivel de ejecución (o
tipo de calculo y/o diseño de proyecto) en que se encuentre la actuación.
Se considerarán como propiedades básicas no solo aquellas ligadas directamente
con características “tangibles” de las rocas; también se considerarán las que se basan
en características o índices definidos por el hombre en acomodo a la concepción del
fenómeno e incluso de las herramientas que maneja.
En muchas ocasiones la catalogación de una propiedad básica como elemental o
como imprescindible, además de no excluyente, no implica facilidad o dificultad, exactitud
o aproximación del método (estimación, correlación o medición) e incluso necesidad de
obtención. Dependerá, como siempre, del “donde, cuando, como, por qué y para qué” se
necesite.
De un modo amplio, sin establecer un proposito o fin determinado, la información
requerida sobre la geología y geotécnia de un macizo rocoso, cabe resumirla en unos
cuantos puntos básicos y generales, tal y como se muestra en la tabla nº 1.
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TABLA 1 - INFORMACIÓN REQUERIDA SOBRE GEOLOGÍA Y GEOTECNIA
DESCRIPCIÓN GEOLÓGICA (LITOLOGÍA Y VARIABILIDAD) PROPIEDADES GEOMECÁNICAS DE LA MATRIZ ROCOSA
UBICACIÓN, ORIENTACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LAS DISCONTINUIDADES ESFUERZOS Y ESTADOS TENSIONALES
AGUA SUBTERRÁNEA
TABLA 2 – PROPIEDADES BÁSICAS DE LOS MACIZOS ROCOSOS
ROCA MATRIZ DISCONTINUIDADES
Descriptivas (mediante sencillos ensayos organolépticos
y/o de estimación)
- TIPO DE ROCA - COLOR - TAMAÑO DE GRANO - TEXTURA - FACTOR DE TEXTURA - ESTRUCTURA - METEORIZACIÓN - ALTERACIÓN - RESISTENCIA
Descriptivas y Semi-cuantificables
- TIPO - NUMERO - SITUACIÓN Y ORIENTACIÓN - FRECUENCIA - APERTURA - PERSISTENCIA - RUGOSIDAD - RELLENO - METEORIZACIÓN - ALTERACIÓN
Semi-cuantificables (determinables por ensayos, a veces de estimación o
correlación, que requieren poca o ninguna preparación de las muestras)
- DUREZA - DURABILIDAD - POROSIDAD - DENSIDAD - RESISTENCIA - VELOCIDAD SÓNICA
Cuantificables (Índices para el cálculo o proyecto, determinables por
ensayos más o menos complejos o que requieren preparaciones especiales de las muestras)
- POROSIDAD - RESISTENCIA - MODULO DE ELASTICIDAD - MODULO DE POISSON - PERMEABILIDAD PRIMARIA
Semi-cuantificables y cuantificables
- PERMEABILIDAD SECUNDARIA - VELOCIDAD SÍSMICA - RESISTENCIA AL CORTE - MODULO DE DEFORMABILIDAD
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LOS CONCEPTOS DE
“ROCA”, “MATRIZ ROCOSA” Y “MACIZO ROCOSO”
En la introducción la “matriz rocosa”; tan solo se cita como “el material de que
está compuesto el macizo rocoso”.
Parece necesario aclarar que se entiende con los términos roca, matriz rocosa y
macizo rocoso, o al menos intentar aclararlo a nivel del campo científico-tecnológico que
nos ocupa, pues a nivel universal no es posible: cada rama de la ciencia o la tecnología
necesitará de una concepción, y por tanto de una definición, distinta para cada uno de
dichos términos.
El terreno se estudia en distintas ciencias (geología, ingeniería civil, agronomía, ...)
con diferentes puntos de vista, distinguiéndose en cada uno de los campos del
conocimiento, tradicionalmente y de una forma vasta, entre suelos y rocas, en función a
características diferentes en cada uno de dichos campos.
Desde el punto de vista de la Geología, una roca1 es “un agregado de minerales
que presentan los mismos caracteres de conjunto en un área de cierta extensión de
la corteza terrestre”; esta definición no implica que los materiales que conforman la roca
se encuentren o no consolidados, consolidación que debe estar presente para el
Ingeniero Civil o Geotécnico, pues la característica diferenciadora es, tradicionalmente, la
resistencia a compresión simple.
La definición anterior, con el matiz de la resistencia, puede servir para el concepto
de matriz rocosa, mientras que se puede considerar el macizo rocoso o masa rocosa
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 “ (J.M. LOPEZ MARINAS).
1 Roca: “Material constitutivo de la corteza terrestre, formado en general por una asociación de minerales, que
presenta una cierta homogeneidad estadística; en general dura y coherente (piedra, canto), a veces plástica (p.e. arcilla) o móvil (p.e. arena); en el límite líquida (p.e. petróleo) o gaseosa”.(Diccionario de Geología, A. FOUCAULT, J.F. RAOULT).
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La matización introducida con la resistencia a compresión simple es a menudo
discutida y deja en la ambigüedad los materiales situados en la(s) frontera(s) de
resistencia establecida(s), siendo, a menudo, el establecimiento de dichas fronteras el
punto de discusión.
Parece más lógico diferenciar entre suelo y roca en función de sus diferentes
comportamientos geotécnicos, resultantes fundamentalmente por tratarse el suelo de
un conjunto de partículas individuales, pero que pueden interactuar entre si, de un modo
físico-mecánico (suelos de grano grueso) o físico-químico (suelos de grano fino), mientras
que las rocas son aglomerados de partículas unidas, casi siempre, fuertemente.
Tal vez quede más clara esta diferenciación en el siguiente párrafo del Profesor
JIMÉNEZ SALAS:
“Los suelos, como vemos, son seudosólidos, que, si
microscópicamente pueden tratarse como sólidos
verdaderos, exhiben propiedades muy peculiares, lo
cual se debe a que en realidad son conjuntos
particulados. Contrariamente, las rocas son
aglomerados de cristales fuertemente unidos. Sin
embargo, a la escala que interesa al ingeniero, tienen
un comportamiento que también se aparta del que
podemos esperar de un sólido. Esto se debe a que la
masa rocosa está surcada en general de varias familias
de litoclasas, que son superficies de debilidad, que la
dividen en bloques. Cada uno de éstos está constituido
por un material rocoso o roca matriz, que puede ser
mucho más resistente e indeformable que la antedicha
masa rocosa, llamada muchas veces, abreviadamente,
roca.”
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ESQUEMA DEL “MACIZO ROCOSO”
Mediante determinados procesos de formación se generan agregados naturales de
minerales (formando sólidos continuos o policristalinos) que determinan, según su
composición y forma de unión la roca matriz.
La estructura y distribución de los distintos tipos de roca, los estados tensionales
(y su historia) junto con el proceso de formación de la roca matriz, determinarán las
discontinuidades que presente dicha roca.
La roca matriz y las discontinuidades formarán el macizo rocoso; este conjunto se
completa con las discontinuidades propias del macizo (a nivel local o regional, no
achacables a la matriz rocosa), la presencia y características del agua subterránea y las
alteraciones, tanto de la roca matriz como de las discontinuidades (originadas
básicamente por el agua y los estados tensionales). A continuación se presenta un
esquema de todo este conjunto que se denomina “macizo rocoso”:
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CLASIFICACION DE LAS ROCAS
Existen infinidad de clasificaciones de las rocas atendiendo a multitud de criterios. Se repasarán aquí los principales tipos de roca, de un modo sucinto, desde el punto de vista geológico (la clasificación más ampliamente aceptada), los criterios para, dentro de esa clasificación elemental, establecer clasificaciones más complejas (que ayudan a conocer, o por lo menos a tener una primera estimación, algunas propiedades básicas) y se verán, también de modo sucinto, las principales clasificaciones de utilidad geomecánica.
TIPOS DE ROCA
La clasificación tradicional geológica, sencilla, clara y de uso generalmente aceptado, considera tres grandes grupos de rocas, atendiendo, fundamentalmente, a su origen y formación:
q ROCAS ÍGNEAS
q ROCAS SEDIMENTARIAS
q ROCAS METAMÓRFICAS
Las rocas ígneas se originan directamente, en el interior o en la superficie de la corteza terrestre, con la consolidación por enfriamiento del magma2 procedente del interior de dicha corteza; su composición y características finales vendrán determinadas, especialmente, por la velocidad de enfriamiento. Forman aproximadamente el 98% de las rocas de la corteza terrestre.
Las rocas sedimentarias representan el 5% de la corteza terrestre, pero suponen un 75% de las visibles en la superficie; se distinguen de las ígneas y metamórficas en que se dan en capas o estratos y en su contenido de fósiles (raros en las metamórficas y ausentes en las ígneas). Se originan de masas de roca preexistentes, con el transporte, deposición y diagénesis de los materiales procedentes de la fragmentación y/o cambio químico de dichas masas, a través de la meteorización. El origen de las partículas que las constituyen determinan su aspecto y proporcionan indicios para su identificación.
Las rocas metamórficas se originan por el aumento de calor y/o presión a que, por diversas causas, son sometidas las rocas existentes; parten pues de unas estructuras y composiciones previas, de origen ígneo, sedimentario e incluso metamórfico temprano.
2Magma: “toda materia rocosa móvil que se produce naturalmente y que comprende en parte notable una fase
líquida con composición de mezcla silicatada fundida” (TURNER Y VERHOOGEN, 1962).
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Otra clasificación geológica propone dos grandes grupos de rocas dependiendo de
la formación de las mismas en la corteza terrestre o, al menos en parte, en el interior del globo:
- EXÓGENAS - SEDIMENTARIAS
- RESIDUALES
- ENDÓGENAS - MAGMÁTICAS - PLUTÓNICAS
- VOLCÁNICAS
- HIDROTERMALES
- METAMÓRFICAS
Como se puede apreciar vuelve prácticamente, en el segundo nivel, a los tres grupos indicados al inicio. Existen muchas clasificaciones, dentro y fuera de esos tres grupos, atendiendo a diversos criterios; incluso existen clasificaciones especificas fuera de los criterios geológicos, no pareciendo muy lógica su utilización, pues para cualquier estudio se debe partir de la definición geológica (solo serán aceptables cuando se trate de clasificaciones que correspondan a un aspecto o propiedad concreta de las rocas que se están estudiando). Un estudio y análisis más profundo de los tipos y clasificaciones de las rocas se sale completamente, en extensión y fines, del presente curso.
EL CICLO GEOLÓGICO
El proceso de formación de las rocas es dinámico y continuo, de este modo una roca puede dar origen a otra, del mismo modo que una roca puede originarse por procesos geológicos diferentes. En la figura se presenta, muy simplificado, el ciclo geológico.
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CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN DE ROCAS
ROCAS ÍGNEAS
La clasificación más generalizada y aceptada de las rocas ígneas se fundamenta en la forma y lugar donde se produce su enfriamiento, considerandose tres familias:
- PLUTÓNICAS (o INTRUSIVAS).
- VOLCÁNICAS (o EFUSIVAS).
- FILONIANAS.
Existen además distintas clasificaciones atendiendo a diversos criterios:
- La forma de enfriarse. - Su color. - Facilidad de alteración. - Orden sucesivo de cristalización de los minerales (Serie de BOWEN). - La proporción de los minerales (STRECKEISEN).
ROCAS SEDIMENTARIAS
En las rocas sedimentarias suelen distinguirse tres grandes familias:
- DETRÍTICAS.
- DE ORIGEN QUÍMICO.
- DE ORIGEN ORGÁNICO.
Cada una de estas familias, e incluso un grupo concreto de rocas dentro de ellas,
se clasifican según diversos criterios: las detríticas según el tamaño de grano, las de origen químico según los minerales característicos; las de origen orgánico, sin interés en ingeniería civil, se distingue entre sólidas, líquidas y gaseosas.
ROCAS METAMÓRFICAS
La clasificación de las rocas metamórficas es muy compleja por intervenir las
características de las rocas originales y las propias del metamorfismo. Los principales criterios de clasificación son:
- Las facies minerales.
- Las zonas e isogradas del metamorfismo.
- Las secuencias metamórficas.
- Las series metamórficas.
- La estructura y textura.
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CLASIFICACIONES DE UTILIDAD GEOMECÁNICA
Es lógico que se desee disponer de clasificaciones que tengan una aplicación directa y cubran las necesidades de los técnicos; de hecho, son muchas las que se han propuesto, pero ninguna ha logrado imponerse u obtener, tan siquiera, una aceptación relativa.
Tal vez se persigue que la clasificación de una roca resuelva los problemas que plantea, cuando la clasificación no es otra cosa que el cimiento sobre el que se construye la solución, y no la solución misma.
CLASIFICACIÓN DE LA ISRM
Publicada en el Boletín de la IAEG en 1979, la ISRM propone una clasificación atendiendo al grupo genético y al tamaño de grano (tabla 3). CLASIFICACIÓN DE DEERE Y MILLER
Basada en la resistencia a compresión simple y el módulo de elasticidad (módulo tangente para el 50% de la resistencia a compresión simple). (Tabla 4).
Turk y Dearman (1985) modifican esta clasificación (tabla 5) utilizando en lugar del modulo elástico la relación entre el módulo elástico tangencial y el módulo de Poisson. CLASIFICACIÓNES BASADAS EN LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE
Existen otras muchas clasificaciones basadas en la resistencia a carga uniaxial; en la tabla 6 se presenta un resumen de las mismas. CLASIFICACIÓN DE GOODMAN
Es una modificación de la propuesta por Krynine y Jud en 1957. Las rocas se clasifican en cuatro grupos, de modo que la inclusión en uno de ellos lleve aparejado un determinado comportamiento geomecánico (tabla 7). Dichos grupos son:
I - ROCAS DE TEXTURA CRISTALINA
II - ROCAS DE TEXTURA CLÁSTICA
III - ROCAS DE GRANO MUY FINO
IV - ROCAS ORGÁNICAS
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TABLA 3 - CLASIFICACIÓN GENÉTICA DE LA ISRM (1979)
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TABLA 4 - CLASIFICACIÓN DE DEERE Y MILLER
W = DÉBIL ED = EXTREMADAMENTE DEFORMABLE
MS = MEDIANAMENTE FUERTE VD = MUY DEFORMABLE
S = FUERTE MD = MEDIANAMENTE DEFORMABLE
VS = MUY FUERTE SD = LIGERAMENTE DEFORMABLE
ES = EXTREMADAMENTE FUERTE VSD = APENAS DEFORMABLE
TABLA 5 - CLASIFICACIÓN DE TURK Y DEARMAN (1985)
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TABLA 6 – RESUMEN DE LAS CLASIFICACIONES
BASADAS EN LA RESISTENCIA
CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS SEGÚN LA RESISTENCIA
(ISRM 1978, ROMANA 1981)
s c (MPa)
ROCA DE RESISTENCIA
> 200
200 - 60
60 - 20
20 - 6
6 - 2
2 - 0,6
< 0,6
MUY ALTA
ALTA
MEDIA
BAJA
MUY BAJA
TRANSICIÓN
SUELO
ISRM (78)
“
“
“
“
Romana (81)
“
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TABLA 7.1 - CLASIFICACIÓN DE GOODMAN
(ROCAS DE TEXTURA CRISTALINA)
SUBGRUPO
EJEMPLOS
COMPORTAMIENTO
IA
CARBONATOS
Y
SALES SOLUBLES
CALIZA
DOLOMÍA
MÁRMOL
SAL
YESO
- Pueden ser muy resistentes y con rotura frágil (caliza, dolomía, mármol)
o poco resistentes con rotura plástica (yeso).
- Con presiones moderadas de confinamiento son plásticas.
- Son solubles al agua por lo que presentan problemas de karstificación.
IB
ROCAS CON MICA
Y OTROS MINERALES
PLANOS EN BANDAS CONTINUAS
MICAESQUISTOS
ESQUISTOS CLORÍTICOS
ESQUISTOS GRAFÍTICOS
- La mica, la clorita y el grafito reducen la resistencia de la roca. Dan
deslizamiento fácil a lo largo de los planos de esquistosidad.
- Los micaesquistos y en general toda esta clase de rocas son muy
anisótropas. La resistencia es baja a lo largo de las esquistosidades. Solo
cuando están muy plegadas dejan de ser anisótropas.
IC
CON MINERALES SILICATADOS
EN BANDAS,
SIN HOJAS CONTINUASDE MICA
GNEIS
- Rotura frágil.
- Gran anisotropía.
ID
CON MINERALES SILICATADOS
DE GRANO UNIFORME
DISTRIBUIDOS Y ORIENTADOS
ALEATORIAMENTE
GRANITO
DIORITA
GABRO
SIENITA
- Los cristales componentes de la roca tienen un área de contacto grande.
- Son materiales homogéneos, competentes e isótropos.
- Si no están alterados son muy resistentes.
- La rotura es frágil a presiones de confinamiento normales.
- Si no están fisuradas las deformaciones son elásticas. Si lo están,
pueden tener un comportamiento plástico con deformaciones
remanentes.
- El comportamiento depende del grado de alteración, el cual puede
evaluarse por su porosidad.
IE
CON MINERALES SILICATADOS
CON GRANOS DISTRIBUIDOS
EN UNA PASTA FINA
ALGUNOS BASALTOS
FONOLITAS
RIOLITAS
- Estas rocas pueden tener muchos poros (vacuolas), lo que reduce su
buen comportamiento; cuando no tienen poros son unas rocas
excelentes, que se comportan como las del grupo ID.
IF
ROCAS CIZALLADAS
SERPENTINITAS
MILONITAS
- Son rocas muy malas geomecánicamente. Tienen superficies de rotura
preformadas, ocultas, que aparecen cuando se las tensiona.
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TABLA 7.2 - CLASIFICACIÓN DE GOODMAN
(ROCAS DE TEXTURA CLÁSTICA)
SUBGRUPO
EJEMPLOS
COMPORTAMIENTO
IIA
ROCAS CON CEMENTO
ESTABLE
ARENISCAS CON
CEMENTO SILÍCEO
ARENISCAS LIMONÍTICAS
- Rocas excelentes, muy estables, resistentes, elásticas y con rotura
frágil.
IIB
ROCAS CON CEMENTO
LIGERAMENTE SOLUBLE
ARENISCAS
Y CONGLOMERADOS
CON CEMENTO
CALCÁREO
- Pueden ser muy estables, resistentes y elásticas con ritura fragil. En el
lado extremo de rocas poco estables están las arcosas.
- La toma de muestras puede ser muy difícil en el caso de cementación
ligera.
IIC
ROCAS CON CEMENTO
MUY SOLUBLE
ARENISCAS
Y CONGLOMERADOS
CON YESO
- Se reducen a un sedimento cuando se humedecen.
- El colapso, tanto mecánico como hidráulico, es un problema grave que
se puede presentar si son macroporosas.
- La toma de muestras es muy dificil.
IID
ROCAS CON CEMENTO
DÉBIL
O INCOMPLETAMENTE
CEMENTADAS
ARENISCAS FRIABLES
TOBAS
AGLOMERADOS
VOLCÁNICOS
- Los granos se pueden soltar con la mano.
- El colapso mecánico puede ser un problema grave si son macroporosas.
- Problemas con la toma de muestras.
IIE
ROCAS SIN CEMENTAR
ARENISCAS CON ENLACES
DE ARCILLA
- Tienen, aumentados, todos los problemas de los grupos IIC y IID.
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TABLA 7.3 - CLASIFICACIÓN DE GOODMAN
(ROCAS DE GRANO MUY FINO)
SUBGRUPO
EJEMPLOS
COMPORTAMIENTO
IIIA
ROCAS DURAS ISÓTROPAS
CORNEANA
ALGUNOS BASALTOS
-Bueno, como el de las rocas del grupo IE.
IIIB
ROCAS DURAS,
MICROSCÓPICAMENTE ISÓTROPAS,
MACROSCÓPICAMENTE ANISÓTROPAS
PIZARRAS CEMENTADAS
- Rocas duras y resistentes. Tienen una gran anisotropía mecánica.
IIIC
ROCAS DURAS
MICROSCÓPICAMENTE ANISÓTROPAS
FILITAS
ESQUISTOS
- Son rocas muy alterables
- Tienen gran anisotropía mecánica.
IIID
ROCAS BLANDAS
TRANSITO A SUELOS
PIZARRAS MARGOSAS
MARGAS
LUTITAS
CRETA
- Dan, en general, problemas de algún tipo.
- Posibles cambios de volumen con el contenido de humedad.
- Propiedades mecánicas variables con el contenido de humedad.
- Gran alterabilidad, a veces muy rápida.
- Muy afectadas por los ciclos de humidificación.
- Son muy abundantes en España.
TABLA 7.4 - CLASIFICACIÓN DE GOODMAN
(ROCAS ORGÁNICAS)
SUBGRUPO
EJEMPLOS
COMPORTAMIENTO
IVA
CARBÓN BLANDO
IVB
CARBÓN DURO
IVC y IVD
PIZARRAS PETROLÍFERAS
Y BITUMINOSAS
IVE
ARENAS BITUMINOSAS
- No tienen gran interés para la Ingeniería Civil en España.
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FISONOMÍA DE LAS ROCAS
Las propiedades fisonómicas fundamentales a considerar son: el color, el tamaño
de grano y la textura; también forma parte del aspecto de las rocas la alteración, pero influye tanto en su comportamiento que merece un epígrafe por si misma.
La importancia de la fisonomía3 de las rocas radica en que puede proporcionar información, tanto de la composición de las mismas como (y por tanto) de sus propiedades y comportamientos mecánicos.
COLOR DE LAS ROCAS
Resulta difícil de “cuantificar” y es conveniente utilizar métodos sencillos y más o
menos normalizados como el que se indica en la tabla 8; en ella se proponen unos
colores básicos a los que se puede añadir un calificador (intensidad) y un valor de amplio
rango (tono). Métodos más precisos de cuantificación del color requieren el uso de una
guía (p.e. cartas de colores).
TABLA 8 - COLOR DE LA ROCA Tomado de “The description of rock masses for engineering purposes” (ANON., 1977)
COLOR BÁSICO
INTENSIDAD
VALOR
ROSA
ROJO
AMARILLO
MARRÓN
VERDE OLIVA
VERDE
AZUL
BLANCO
GRIS
NEGRO
ROSADO
ROJIZO
AMARILLENTO
CASTAÑO
VERDOSO
AZULADO
GRISÁCEO
CLARO
OSCURO
3 Fisonomía = “Aspecto exterior de las cosas” (2ª acepción del D.R.A.E.)
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TAMAÑO DE GRANO DE LAS ROCAS
Es el mismo concepto que se utiliza en la descripción de suelos; pero mientras que
en estos el método para obtener la clasificación por tamaños (o distribución de los
mismos: curva granulométrica) se basa en la utilización de una serie de tamices estándar,
en las rocas debe recurrirse a la inspección visual, como método elemental, y a la
realización de láminas delgadas y transparentes de la roca sólida, que serán examinadas
bajo la luz del microscopio, como método de análisis más profundo y especifico.
Cuando se realiza el estudio en láminas delgadas, resulta muy difícil obtener las
verdaderas dimensiones de un grano a partir de una sección (por ejemplo en los cristales
alargados) y deben utilizarse métodos estadísticos para su determinación.
Al igual que en los suelos existen multitud de clasificaciones, más o menos
concordantes y más o menos complejas, de los tamaños de grano y su denominación
correspondiente; en la tabla 9 se presenta la clasificación más elemental o de partida, que
puede irse completando con mayores subdivisiones.
TABLA 9 - CLASIFICACIÓN ELEMENTAL DE LOS TAMAÑOS DE GRANO
TAMAÑO DE
GRANO
APRECIACIÓN
DENOMINACIÓN
> 5 mm
A SIMPLE VISTA
GRANO GRUESO
1 - 5 mm
ID. O CON LUPA
GRANO MEDIO
< 1 mm
ID. O MICROSCOPIO
GRANO FINO
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La clasificación de la tabla anterior puede irse ampliando al introducir más
subdivisiones y denominaciones para las mismas, pero no es conveniente ampliarla
excesivamente, pues se termina convirtiendo en cuasi-continua una propiedad que, pese
a que lo es, se pretende establecer a base de intervalos, discretos y en un número
razonable, que faciliten la descripción de la roca. En la tabla 10 se presenta una
clasificación más completa y ampliamente aceptada, que tiene la ventaja de poder
comparar con los tamaños de grano de los suelos.
TABLA 10 - TAMAÑO DE LOS GRANOS
Tomado de “The description of rock masses for engineering purposes” (ANON., 1977)
TAMAÑO DE
GRANO
DENOMINACIÓN
APRECIACIÓN
CORRESPONDENCIA
CON LOS SUELOS
> 60 mm
GRANO MUY GRUESO
BLOQUES
60 - 2 mm
GRANO GRUESO
GRAVA
2 mm - 60 µm
GRANO MEDIO
VISIBLES
SIN AYUDA
DEL
MICROSCOPIO ARENA
60 µm - 2 µm
GRANO FINO
LIMO
< 2 µm
GRANO MUY FINO
NO VISIBLES
SIN MICROSCOPIO ARCILLA
El tamaño de grano puede proporcionar información muy útil sobre las rocas. Así,
en las rocas ígneas indica la velocidad de enfriamiento de las mismas (a más velocidad
menor tamaño); en las rocas metamórficas indicará las condiciones de presión y
temperatura a que han sido sometidas (a mayor presión y temperatura mayor tamaño de
grano); y en las rocas sedimentarias, aunque resulta complejo, sirve para realizar una
primera clasificación (grano grueso: conglomerados, brechas y algunas areniscas; grano
medio: areniscas; grano fino: arcillita, lutita).
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TEXTURA, FACTOR DE TEXTURA Y ESTRUCTURA
En la literatura geológica se utilizan estos términos de formas muy diferentes y
ambiguas. Se hace necesario por tanto definirlos claramente para su uso geotécnico:
TEXTURA - Se refiere a la apariencia física general de los granos individuales de la matriz rocosa (tamaño, forma, grado de cristalización, disposición de los elementos).
FACTOR DE TEXTURA - Es la relación entre los granos, el modo en que están distribuidos dentro de la matriz rocosa (orientaciones irregulares, orientaciones preferentes, esquistosidad, etc).
ESTRUCTURA - Hace referencia a una escala mayor: homogeneidad (misma apariencia de toda la masa rocosa); bandeado (capas de diferente composición mineral); exfoliación, etc.
Por tanto, la textura y el factor de textura hacen referencia a la matriz rocosa,
mientras que la estructura se refiere al macizo rocoso y tiene más interés para la
Ingeniería Civil pues su influencia puede ser muy grande, pues influirá notablemente
(junto con el factor de textura) en la anisotropía de alguna propiedades (p.e. la
resistencia).
Tanto la textura como el factor de textura puede requerir el uso de lupas o la
obtención de láminas delgadas de roca para su observación bajo el microscopio.
Son muy variados los términos utilizados para definir la textura de la matriz
rocosa, siendo los más habituales:
- CRISTALINA
- CRIPTOCRISTALINA
- GRANULAR
- PORFÍDICA
- VÍTREA
- AMORFA
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De las descripciones que se dan a continuación de estos términos se deduce que
existen dos texturas básicas (cristalina y amorfa), siendo el resto combinaciones de
ambas o matizaciones (a veces no totalmente diferenciadas).
TEXTURA CRISTALINA: Cuando la roca está compuesta por cristales (es
decir, sus átomos constituyentes están dispuestos
según una red periódica).
Id. CRIPTOCRISTALINA: Cuando los cristales son muy pequeños (algunos
µm) incluso difíciles de ver al microscopio.
TEXTURA GRANULAR: Se aplica a las rocas que presentan asociaciones de
cristales (o granos) todos ellos visibles a simple vista.
TEXTURA PORFÍDICA: En las rocas que presentan cristales de gran tamaño
dispersos en una pasta afanítica (sin cristales
visibles)
TEXTURA VÍTREA: En las rocas constituidas enteramente, o en gran
parte, por vidrio; el vidrio es el magma que ha
enfriado rápidamente sin cristalizar, pudiendo
presentarse en proporciones variables, como matriz
que engloba a los cristales.
TEXTURA AMORFA: La de aquellas sustancias minerales que no son
cristalinas (si sus átomos constituyentes no están
dispuestos según una red periódica).
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METEORIZACIÓN Y ALTERACIÓN
Tanto la meteorización como la alteración se refieren a procesos destructivos,
físicos o químicos, que provocan cambios en las propiedades de las rocas.
Se considera meteorización a cualquier proceso destructivo debido a la acción
directa del clima y a procesos superficiales; es decir, procesos mecánicos y/o químicos en
la superficie, o cerca de ella, que se traducen en una descomposición de los minerales
originales (primarios) con la formación de otros diferentes (secundarios).
La alteración son los cambios en la composición química o mineralógica
producida por las aguas subterráneas o los fluidos hidrotermales.
Puede ser difícil distinguir entre los efectos de la alteración y de la meteorización,
pero mientras estos últimos se extinguen irremediablemente con la profundidad, la
alteración pueden originarse y producirse a profundidades considerables.
En muchas ocasiones se utiliza el termino “alteración” para describir los cambios
mineralógicos o mecánicos definitivos de ambos fenómenos; en este sentido, en la tabla
11 se resumen los principales tipos de alteraciones que pueden producirse.
Tanto la meteorización como la alteración tienden a producir deterioro en las
cualidades de la roca, y, aunque ambas tienen lugar en la matriz rocosa, sus procesos y
efectos están fuertemente ligados a las discontinuidades del macizo; en muchas
ocasiones para apreciar y explicar claramente será necesario considerar una escala que
contemple la estructura del macizo, así como sus condicionantes locales o regionales4.
4 Por ejemplo, pueden estar muy activadas por causas tectónicas: Falla è Rotura de la roca è Mayor permeabilidad è Alteración química por el agua.
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TABLA 11 – PRINCIPALES TIPOS DE ALTERACIÓN
ALTERACIÓN
CARACTERÍSTICAS, EFECTOS Y CLASES
MECÁNICA
- ABERTURA DE DISCONTINUIDADES EXISTENTES
- FORMACIÓN DE NUEVAS DISCONTINUIDADES POR FRACTURA DE LA ROCA
- ABERTURA DE LOS BORDES DE LOS GRANOS
- FRACTURA O CLIVAJE DE LOS GRANOS MINERALES
- PROPICIA LA APARICIÓN Y AVANCE DEL RESTO DE LAS ALTERACIONES
FÍSICA
- EROSIÓN
-GELIVACIÓN
POR OTRAS ROCAS (ARENAS TRANSPORTADAS POR EL VIENTO)
METEORIZACIÓN SUPERIOR (RÍOS Y MARES)
SE PRODUCE EN CICLOS FRECUENTES DE HELADAS
(EN ESPAÑA A COTAS SUPERIORES A 1000 m)
QUÍMICA
- HIDRÓLISIS
- HINCHAMIENTO
- EXPANSIÓN
- DISOLUCIÓN
- OTROS
DE LOS MINERALES SILICATADOS
ES EL PROCESO DE METEORIZACIÓN MÁS IMPORTANTE DE LAS
ROCAS ÍGNEAS Y DE MUCHAS METAMÓRFICAS
(EJEMPLO MÁS CONOCIDO: METEORIZACIÓN DEL GRANITO)
DEPENDE BÁSICAMENTE DEL ACCESO DE AGUA Y DEL CLIMA
DE LOS COMPONENTES ARCILLOSOS
EN LAS ROCAS PELÍTICAS, METAMÓRFICAS O SEDIMENTARIAS
PUEDEN PROVOCAR ROTURAS EXPLOSIVAS
DE LOS MINERALES CARBONATADOS POR ATAQUE DE AGUAS
ACIDAS
EL ATAQUE SE VE FACILITADO POR ELEMENTOS ACIDIFICANTES
(EL EJEMPLO CLÁSICO ES LA DISOLUCIÓN DE CALIZAS Y /O
DOLOMÍAS PARA PRODUCIR LOS FENÓMENOS KÁRSTICOS)
ATAQUES QUÍMICOS DIVERSOS
CRISTALIZACIÓN DE SALES (ROCAS MONUMENTALES)
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De cara a describir la meteorización o alteración de la roca, en la tabla 12 se
recoge la escala de meteorización propuesta por la ISRM (1977); en ella se utilizan una
serie de términos que se definen a continuación:
ROCA FRESCA O SANA Roca no meteorizada, sin signos de alteración.
ROCA DECOLORADA Cambia el color original, en un grado identificable.
Si el cambio de color es debido a algún mineral en particular, debe indicarse. Existen distintos procesos y colores (rojo: oxidación, compuestos férricos; marrón: oxidación; amarillo: aparición de limonita)
ROCA DESCOMPUESTA Meteorizada, con perdida de cohesión, hasta suelo.
La fábrica del material está intacta, pero alguno o todos los granos minerales están descompuestos.
ROCA DESINTEGRADA Meteorizada, con perdida de cohesión, hasta suelo.
La fábrica del material puede o no estar intacta. La roca tiene aspecto de “machacada”. La roca es friable, pero los granos minerales no se han descompuesto.
Todos estos términos pueden matizarse con subdivisiones mediante adjetivos
intermedios, siendo los comúnmente utilizados:
- DÉBILMENTE, LIGERAMENTE
- MODERADAMENTE
- BASTANTE
- MUY
- ALTAMENTE, EXTREMADAMENTE
- COMPLETAMENTE.
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TABLA 12 – ESCALA DE METEORIZACIÓN DEL MACIZO ROCOSO
(ISRM, 1977)
GRADO
SÍMBOLO
TERMINO
(DENOMINACIÓN)
METEORIZACIÓN
(% DE ROCA
DESCOMPUESTA)
DESCRIPCIÓN
Ia
SIN SIGNOS VISIBLES DE ALTERACIÓN EN LA
ROCA MATRIZ.
Ib
F
SANO O FRESCO
-
DÉBIL DECOLORACIÓN EN LAS
DISCONTINUIDADES PRINCIPALES.
II
SW
LIGERAMENTE
ALTERADO
< 10 %
CON DECOLORACIÓN GENERAL, INDICANDO LA
ALTERACIÓN DE LA ROCA MATRIZ Y
DISCONTINUIDADES.
III
MW
MODERADAMENTE
ALTERADO
10 - 50 %
MENOS DE LA MITAD DE LA ROCA ESTÁ
DESCOMPUESTA Y/O DESINTEGRADA A SUELO.
PUEDEN PRESENTARSE ZONAS DE ROCA SANA
Y DECOLORADA, BIEN FORMANDO UN MARCO
CONTINUO O BIEN COMO BLOQUES O
NÚCLEOS SANOS.
IV
HW
ALTAMENTE
ALTERADO
50 - 90 %
MAS DE LA MITAD DE LA ROCA ESTÁ
DESCOMPUESTA Y/O DESINTEGRADA A SUELO.
PUEDEN PRESENTARSE ZONAS DE ROCA SANA
Y DECOLORADA, BIEN FORMANDO UN MARCO
CONTINUO O BIEN COMO BLOQUES O
NÚCLEOS SANOS.
V
CS
COMPLETAMENTE
ALTERADO
> 90 %
TODA LA ROCA ESTÁ DESCOMPUESTA Y/O
DESINTEGRADA A SUELO.
LA ESTRUCTURA ORIGINAL DEL MACIZO ESTÁ
TODAVÍA FUNDAMENTALMENTE INTACTA.
VI
RS
SUELO
RESIDUAL
100 %
TODO EL MATERIAL ROCOSO SE HA
CONVERTIDO EN SUELO.
SE HAN DESTRUIDO LA ESTRUCTURA DEL
MACIZO Y DEL MATERIAL.
SE HA PRODUCIDO UN GRAN CAMBIO DE
VOLUMEN, PERO EL SUELO NO HA SIDO
TRANSPORTADO DE MODO SIGNIFICATIVO.
OBSERVACIONES: El sistema fue desarrollado para granito y rocas ígneas, donde se produce un proceso de meteorización gradual. En pizarras y/o esquistos solo se considerarán los grados I,II, IV y VI; las calizas no se alteran, se disuelven, así, será más lógico expresiones del tipo: “caliza sana, sin síntomas de disolución”, “caliza con las superficies atacadas”, “caliza con arcilla roja (restos de la disolución)”, etc.
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PROPIEDADES ÍNDICE
Se entiende como propiedades índice aquellas que sirven de “indicadores” de
algunas propiedades y de las relaciones entre las fases de la roca. Las “fases” se
corresponden con las del modelo tradicional trifásico de la Mecánica del Suelo:
FASE SÓLIDA: Formada por los materiales o partículas sólidas.
FASE LÍQUIDA: Formada por el agua contenida en la roca (gravitacional, capilar, higroscópica y vapor de agua contenido en la fase gaseosa, excluyendo el agua combinada químicamente con los minerales, que forma parte de la fase sólida)
FASE GASEOSA: Constituida por los huecos que dejan entre si las partículas (cristales, granos o pasta amorfa) incluso los huecos interiores de las propias partículas. En Mecánica de Rocas es importante diferenciar entre los huecos accesibles (interconectados con el exterior) y los inaccesibles.
Las propiedades índice se clasifican según sean parámetros de estado o
propiedades intrínsecas y según se trate de relaciones másicas, volumétricas o de masa-
volumen, tal y como se indica en la tabla 13, donde se maneja la nomenclatura que se
utiliza habitualmente.
TABLA 13 - CLASIFICACIÓN DE LAS PROPIEDADES ÍNDICE
PARÁMETROS DE ESTADO
PROPIEDADES INTRINSECAS
RELACIONES
MÁSICAS
HUMEDAD
-
RELACIONES
VOLUMÉTRICAS
ÍNDICE DE HUECOS
POROSIDAD
POROSIDAD EFICAZ
GRADO DE SATURACIÓN
-
RELACIONES
MASA-VOLUMEN
DENSIDAD APARENTE
(DENSIDAD SECA)
(DENSIDAD SATURADA)
(DENSIDAD SUMERGIDA)
PESO ESPECIFICO DE LAS PARTÍCULAS
(PESO ESPECIFICO RELATIVO DE LAS PARTÍCULAS)
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PESO ESPECIFICO DE LAS PARTÍCULAS
El peso especifico de las partículas de una roca (?s ), se deberá obtener como la suma ponderada de los pesos específicos de los minerales que la constituyen. Tradicionalmente se maneja el concepto de peso especifico relativo de las partículas, generalmente referido al agua a 20ºC:
GS = ?s / ?w
de esta forma el peso especifico relativo de una roca será:
Gs = Σ Ci Gsi
donde Ci es la proporción de los distintos minerales y Gsi el peso especifico relativo de cada uno de esos minerales. En la tabla 14 se presentan los pesos específicos de algunos minerales.
TABLA 14 - PESOS ESPECÍFICOS RELATIVOS DE VARIOS MINERALES
MINERAL
GS
MINERAL
GS
HALITA
YESO
SERPENTINITA
ORTOCLASA
CALCEDONIA
CUARZO
PLAGIOCLASA
CLORITA e ILLITA
MICA
CALCITA
MOSCOVITA
BIOTITA
DOLOMITA
ANHIDRITA
2,10 - 2,60
2,30 - 2,40
2,30 - 2,60
2,50 - 2,60
2,60 - 2,64
2,65
2,60 - 2,80
2,60 - 3,00
2,70 - 3,10
2,70
2,70 - 3,00
2,80 - 3,10
2,80 - 3,10
2,90 - 3,00
FLUORITA
PIROXENO
OLIVINOS
CORINDON
BARITA
MAGNETITA
PIRITA
ARSENOPIRITA
CASITERITA
GALENA
CINABRIO
COBRE
PLATA
PLATINO
ORO
3,10 - 3,20
3,20 - 3,60
3,20 - 3,60
4,00 - 4,10
4,30 - 4,60
4,40 - 5,20
4,90 - 5,20
6,00 - 6,10
7,00
7,40 - 7,60
8,10
8,90
10,50
14,00 - 19,00
15,00 - 20,00
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POROSIDAD
La porosidad de una roca está relacionada con la estructura cristalina de la misma
y con su génesis y nivel de alteración posterior; es importante distinguir entre la porosidad
total y la eficaz (debida únicamente a los poros intercomunicados entre si y que será la
responsable de la permeabilidad primaria).
En la tabla 15 se muestran las porosidades típicas de varios tipos de roca. En
general las rocas ígneas y metamórfica tienen una porosidad muy baja, mientras que en
las sedimentarias (areniscas, pizarras y calizas) suele ser bastante superior, al igual que
algunas rocas de origen volcánico (p.e. riolitas y andesitas) debido a las vacuolas que
presentan en su interior.
TABLA 15 - POROSIDAD DE VARIOS TIPOS DE ROCA
ROCAS BÁSICAS
< 0,5
GRANITO
SANO ALTERADO MUY ALTERADO DESCOMPUESTO
0 - 1 1 - 5
5 - 15 > 15
CALIZA
MÁRMOL COMPACTA MEDIA-FLOJA TOBA/ARECIFAL/CRETA
< 1
1 - 6 6 - 12
20 - 40 ARENISCA
COMPACTA MEDIA FLOJA
< 3
3 - 15 > 15
ESQUISTOS PIZARRAS LUTITAS
MUY COMPACTOS COMPACTOS MEDIOS FLOJOS
< 3
3 - 7,5 7,5 - 20
> 20
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La porosidad influye directamente en otras características de la matriz rocosa,
fundamentalmente en la resistencia a compresión simple y en la meteorización; a modo
de ejemplo, en la tabla 16 se muestra la alterabilidad previsible en los granitos en función
de la porosidad.
TABLA 16 - ALTERABILIDAD DE LOS GRANITOS
EN FUNCIÓN DE LA POROSIDAD
POROSIDAD
(%)
ALTERABILIDAD
< 1
MUY DÉBIL
1 - 2,5
DÉBIL PERO APRECIABLE
2,5 - 5
FUERTE
> 5
MUY GRANDE
Según algunos autores dentro del volumen de huecos debe distinguirse entre los poros y las fisuras; los primeros son, al menos originariamente, redondeados (más o menos subesféricos) mientras que las fisuras tienen forma alargada, bidimensional, de grieta plana.
Puede ser importante la identificación de los tipos de huecos para comprender el comportamiento de una roca; p.e un volumen de huecos del tipo fisura, de un 2%, en un granito, implica una reducción de la resistencia del 50%; por contra, en una roca sedimentaria (arenisca o caliza) se debe alcanzar un 20% de huecos del tipo poro para que se produzca la misma reducción de la resistencia.
Las fisuras empeoran notablemente la calidad mecánica de las rocas (resistencia y módulo de deformabilidad), proporcionan un comportamiento anisótropo en relación a algunas propiedades (permeabilidad, resistencia, deformabilidad,...) y aumentan la fragilidad, pues en los extremos de las fisuras se producen grandes concentraciones de tensiones.
Finalmente, las fisuras incrementan la dispersión de los resultados obtenidos en los ensayos, aspecto a tener en cuenta a la hora de programar una campaña de ensayos y, fundamentalmente, al interpretar los mismos.
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PESO ESPECIFICO (DENSIDAD)
La densidad suministra información sobre la mineralogía de la roca y su
compacidad. Dependerá de los pesos específicos de los granos minerales que la formen y
además estará fuertemente influenciada por la porosidad que posea.
La densidad (o peso especifico) medio de las rocas es de 26 KN/m3. De la
observación de las tablas 14 Y 15 cabe deducir que la densidad de las rocas, presentará
un abanico de variabilidad bastante amplio, pero dentro de un rango numérico muy
estrecho. En la tabla 17 se presentan los pesos específicos medios de las rocas más
corrientes; en la tabla 18 se muestra la oscilación de la densidad de las rocas en función
del grado de metamorfismo; en la tabla 19 la densidad media y su oscilación de lagunas
rocas efusivas y en la tabla 20 las densidades y porosidades de rocas intrusivas.
TABLA 17 - PESOS ESPECÍFICOS MEDIOS DE LAS ROCAS MÁS CORRIENTES
Según GOODMAN (1980) con datos de CLARK (1966), DAVIS y DEWEIST (1966)
ROCA
KN/m3 PLUTONICAS
granito
diorita
sienita
gabro
VOLCANICAS
basalto
METAMORFICAS
micaesquisto
anfibolita
mármol
SEDIMENTARIAS
cuarzo
caliza
yeso
sal
pizarra
26,0
27,0
25,0
29,4
27,1
27,6
29,3
27,0
27,6
26,5
22,5
20,6
22,1 - 25,7
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TABLA 18 - OSCILACIÓN DE LA DENSIDAD
EN FUNCIÓN DEL GRADO DE METAMORFISMO
GRADO DE
METAMORFISMO
ROCA
DENSIDAD (Tn/m3)
BAJO
PIZARRAS CUARZO-SERICITICAS
PIZARRAS CUARZO-CLORITICAS
PIZARRAS SERICITICAS
PIZARRAS CLORITICAS
2,42 - 2,88
2,62 - 2,60
2,61 - 2,72
2,57 - 2,61
MEDIO
PIZARRAS DE BIOTITA
PIZARRAS DE GRAFITO
PIZARRAS DE ANFIBOLITA
2,67 - 2,68
2,44 - 2,99
2,97 - 3,00
ALTO
GNEISS BIOTITICO. - PLAGIOCLASICOS
ANFIBOLITAS
MAGMATITAS
CUARCITAS
2,63 - 2,73
2,72 - 3,27
2,68 - 2,70
2,57 - 2,68
TABLA 19 - DENSIDAD EN ROCAS EFUSIVAS
DENSIDAD (Tn/m3) ROCA
MEDIA
OSCILACIÓN
PORFIDO CUARZOSO
ANDESITA
ANDESITA PORFIRITICA
DIABASA
2,35
2,49
2,54
2,79
2,14 - 2,59
2,07 - 2,68
2,20 - 2,85
2,62 - 2,95
TABLA 20 - DENSIDADES Y POROSIDADES EN ROCAS INTRUSIVAS
DENSIDAD (Tn/m3)
POROSIDAD (%) ROCA
MEDIA
OSCILACIÓN
MEDIA
MÍNIMA
MÁXIMA
GRANITO BIOTITICO
GRANODIORITA
SIENITA
DIORITA
GABRO
2,57
2,69
2,66
2,81
2,95
2,53 - 2,70
2,62 - 2,78
2,45 - 2,70
2,67 - 2,92
2,85 - 3,05
2,7
1,8
2,5
2,9
1,3
0,4
1,1
0,7
1,8
0,3
5,2
2,9
5,0
5,1
3,5
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RESISTENCIA DE LA MATRIZ ROCOSA
En principio podría considerarse que no es necesario conocer la resistencia de la
roca matriz (o “roca intacta”) con gran precisión, ya que la resistencia del macizo vendrá
condicionada por la existencia y características de las discontinuidades. Pero resultará
imprescindible en el caso de rocas masivas, y en las diaclasadas para obtener la
resistencia al corte de las discontinuidades. Por otra parte, es un parámetro fundamental
en algunas clasificaciones (en concreto para el RMR de Bieniawski).
La “resistencia” es el máximo esfuerzo que puede soportar una roca sin
romperse, midiéndose por la carga de rotura. El tipo de esfuerzo y el criterio de rotura
determinaran la clase de resistencia:
- RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN UNIAXIAL
- RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN BIAXIAL
- RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN TRIAXIAL
- RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN TRIAXIAL GENUINA
- RESISTENCIA A LA CARGA PUNTUAL
- RESISTENCIA A LA TRACCIÓN
- RESISTENCIA A LA FLEXO-TRACCIÓN
- RESISTENCIA A ESFUERZO CORTANTE
De todas ellas la más utilizada es la resistencia a compresión simple
(compresión uniaxial), tanto para el cálculo como para obtener, mediante clasificaciones
ingenieriles, otras características del material.
En la tabla 6 se presentó un resumen de las diversas clasificaciones de las rocas
basadas en la resistencia a compresión simple (se suele denominar con los símbolos s c ó
CO) . En la tabla 21 se presenta una amplia panorámica de los valores de la resistencia a
compresión simple de distintas rocas.
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TABLA 21 - RESISTENCIA A COMPRESIÓN SIMPLE DE ALGUNAS ROCAS
ROCA
s C (MPa)
ANDESITA
ANFIBOLITA
ANHIDRITA
ARCILLA ESQUISTOSA
ARENISCA
BASALTO
CALIZA
CORNEANA
CUARCITA
DIABASA
DIORITA
DOLOMIA
ESQUISTO
GABRO
GNEIS
GRANITO
GRANODIORITA
GRAUWACA
MARGA
MÁRMOL
MICAESQUISTO
PEDERNAL
PIZARRA
PORFIDO
RIOLITA
SAL
YESO
40 - 320
210 - 520
42
39 - 54
4 - 320
15 - 420
4 - 330
34 - 120
90 - 470
120 - 500
86 - 340
36 - 560
12 - 230
150 - 280
42 - 250
10 - 300
100 - 280
27 - 61
3 - 197
47 - 240
20 - 65
120 - 150
27 - 320
140 - 250
80 - 160
21 - 35
45 – 150
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TABLA 22 - PRINCIPALES ENSAYOS PARA LA OBTENCIÓN DE CO
APLICACIÓN EN
MÉTODO
SE OBTIENE Co POR
INDICES MANUALES (ENSAYO ORGANOLÉPTICO)
ESTIMACIÓN
SUBJETIVA
ESCLERÓMETRO SCHMIDT
ESTIMACIÓN OBJETIVA
CAMPO
COMPRESIÓN PUNTUAL
(FRANKLIN)
BRASILEÑO
CORRELACIÓN
LABORATORIO
COMPRESIÓN UNIAXIAL
MEDICIÓN DIRECTA
Observando la tabla 21 se aprecia el amplio abanico de valores que, para una
misma roca, puede alcanzar la resistencia a compresión simple; esto es debido a que hay
multitud de factores que influyen, que se pueden clasificar en:
INTRÍNSECOS: TIPO DE ROCA (factor condicionante básico). GRADO DE MICROFISURACIÓN POROSIDAD y GRADO DE METEORIZACIÓN
EXTRÍNSECOS: Serán factores propios del método o ensayo que se utilice para la determinación la resistencia a compresión simple.
En los ensayos organolépticos primará la subjetividad de quien realice el ensayo y su nivel de entrenamiento.
En los ensayos de correlación, además de los factores propios del ensayo, influirá notablemente la bondad de la correlación y el grado de investigación en que esté basada.
En el ensayo de compresión uniaxial:
• Rugosidad de las bases • Paralelismo de las bases • Relación altura diámetro • Tamaño de la probeta • Grado de saturación • Velocidad de carga • Rigidez de la máquina de ensayo
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DUREZA Y ABRASIVIDAD
La dureza de las rocas es la propiedad que define su resistencia a la abrasividad.
Si dos sustancias de distinta dureza se frotan entre sí, la de menor dureza sufre
desgastes y pequeñas roturas superficiales. Suele decirse que la sustancia de mayor
dureza “raya” a la otra.
La dureza relativa de las rocas se mide tradicionalmente por la escala de MOHS
que ordena diez minerales determinados por orden de dureza asignándoles valores
arbitrarios de 1 a 10 (tabla 23).
TABLA 23 - ESCALA DE DUREZA DE MOHS
MINERAL DUREZA ELEMENTO COMÚN DE COMPARACIÓN
TALCO
YESO
CALCITA
FLUORITA
APATITO
ORTOSA
CUARZO
TOPACIO
CORINDÓN
DIAMANTE
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
UÑA (2-3)
MONEDA (3-4)
NAVAJA (6)
La abrasividad interesa fundamentalmente como la propiedad que caracteriza la
capacidad de la roca para desgastar los materiales utilizados en los útiles de arranque. El
mineral abrasivo más abundante en las rocas es la sílice (Si O2 ); es normal que se
considere abrasiva cualquier roca que contenga más del 75 % de sílice y esté bien
cementada
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LAS DISCONTINUIDADES DEL MACIZO ROCOSO
Se considera que una discontinuidad es “un plano de debilidad dentro de la
roca, a través del cual el material que constituye la roca se vuelve estructuralmente
discontinuo y presenta una resistencia a tracción nula o muy pequeña, o menor que
la de la roca matriz, a los niveles de tensión generalmente aplicables en la
ingeniería.”5.
Las discontinuidades, además de presentar una enorme variedad de formas,
tienen también orígenes muy distintos, pero pueden ser consideradas en dos grandes
grupos:
? las que se presentan en paquetes o sistemas: FAMILIAS.
- diaclasas, estratificación, ...
- son susceptibles de tratamiento estadístico.
? las que se presentan únicas: INDIVIDUALIZADAS.
- por ejemplo las fallas
- deben de tratarse individualmente
La existencia de discontinuidades en la matriz rocosa se traducirá en un cambio de
propiedades de la misma: se reducirá la resistencia, aumentará la deformabilidad y la
permeabilidad, ...; que esto ocurra en mayor o menor grado dependerá tanto del número de
discontinuidades como de la dirección de las mismas, así como de su extensión, de su
apertura, del posible relleno que contengan, de la presencia de agua en ellas,..; y ocurrirá así
con las familias de discontinuidades y con las individualizadas.
Las propiedades de las discontinuidades pueden depender en gran medida de su
origen, siendo por tanto interesante diferenciarlo claramente; en la tabla 24 se muestra la
clasificación genética de los principales tipos de discontinuidades, con sus características
más definitorias. En la tabla 25 se presenta una clasificación practica de discontinuidades.
5 Tomado de “La descripción de los macizos rocosos en los trabajos de ingeniería” del Grupo de Trabajo de Ingeniería de la Sociedad Geológica de Londres.
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TABLA 24 - CLASIFICACIÓN GENÉTICA DE LAS DISCONTINUIDADES
FALLAS
INDIVIDUALIDAD
GRAN SUPERFICIE
CONTINUIDAD REGIONAL
SALTO APRECIABLE
HUELLAS DE MOVIMIENTO
JUNTAS
AGRUPACIÓN EN FAMILIAS
POCA PERSISTENCIA
SALTO NO APRECIABLE
RELATIVAMENTE LISAS
GRIETAS
ABIERTAS
CON FRECUENCIA RELLENAS
MUY CORTAS
ESTILOLITOS
MUY RUGOSOS
MUY CORTOS
ZONAS NO PLANAS
TECTONIZACIÓN INTENSA
DEBILITAMIENTO ESTRUCTURAL
TABLA 25 - CLASIFICACIÓN PRÁCTICA DE DISCONTINUIDADES
CERRADAS
JUNTAS (Y FALLAS)
ABIERTAS
VACIAS
CON RELLENO
CONTINUAS
DISCONTINUAS
ZONAS DE DISCONTINUIDAD
“SHEAR ZONES” “CRUSHED ZONES”
DIQUES
PRINCIPALES PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES:
Del CONJUNTO de todas: Número de familias. Índices volumétricos – Bloque tipo – Jv – RQD. De UNA FAMILIA determinada: Génesis. Orientación. Continuidad. Espaciamiento. De UNA JUNTA concreta: Rugosidad.
Apertura – acoplamiento. Relleno. Flujo de agua. Alteración y resistencia de los labios.
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ORIENTACIÓN Y NÚMERO DE FAMILIAS
La orientación de una discontinuidad en el espacio se describe por el
BUZAMIENTO, o ángulo de inclinación de la línea de máxima pendiente, y por la
DIRECCIÓN DEL BUZAMIENTO, medido desde el Norte y en sentido horario
(azimut).
No debe confundirse la dirección del buzamiento con la dirección de la
discontinuidad, que se diferencia de aquel en 90º (ver figura). El orden de registro
de una orientación es:
DIRECCIÓN DEL BUZAMIENTO / BUZAMIENTO
Ejemplo: 010º/05º
Este par de números representa el VECTOR DE BUZAMIENTO.
La orientación controla en gran medida la posibilidad de condiciones
inestables o de grandes deformaciones. Su importancia se incrementa cuando se
presentan simultáneamente otras condiciones para la inestabilidad, tales como
baja resistencia a corte, suficiente número de discontinuidades o familias para la
ocurrencia del deslizamiento, etc.
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La red de discontinuidades del macizo estará formada por las juntas en familias y las individualizadas.
El número de familias de juntas que presente un macizo, junto con la orientación relativa y el número de las que se cortan entre sí, determina la forma y tamaño de los bloques individuales que comprende el macizo; y será de gran importancia para comportamiento. Se consideran nueve tipos de macizos en función de la red de discontinuidades (tabla 26).
Debe distinguirse entre:
FAMILIAS SISTEMÁTICAS (distribuidas en todo el macizo)
FAMILIAS NO SISTEMÁTICAS (generalmente distribuidas aleatoriamente)
JUNTAS OCASIONALES (no agrupables en familias y distribuidas aleatoriamente)
TABLA 26 - TIPOS DE REDES DE DISCONTINUIDADES
TIPO
DESCRIPCIÓN
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
MASIVO O CON JUNTAS OCASIONALES
UNA FAMILIA
UNA FAMILIA Y OCASIONALES
DOS FAMILIAS
DOS FAMILIAS Y OCASIONALES
TRES FAMILIAS
TRES FAMILIAS Y OCASIONALES
CUATRO O MÁS FAMILIAS
TRITURADO
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ESPACIAMIENTO, CONTINUIDAD y TAMAÑO DE BLOQUE
El ESPACIAMIENTO es la mínima distancia que hay entre dos discontinuidades
adyacentes de una misma familia.
TABLA 27 - CLASIFICACIÓN DEL ESPACIAMIENTO (ISRM)
EXTREMADAMENTE PRÓXIMO
MUY PRÓXIMO
PRÓXIMO
MODERADO
ANCHO
MUY ANCHO
EXTREMADAMENTE ANCHO
< 0,02 m
0,02 - 0,06 m
0,06 - 0,2 m
0,2 - 0,6 m
0,6 - 2 m
2 - 6 m
> 6 m
TABLA 28 - CLASIFICACIÓN DEL ESPACIAMIENTO (BIENIAWSKI)
DESCRIPCIÓN ESPACIAMIENTO
CONDICIÓN DEL MACIZO
MUY SEPARADAS
SEPARADAS
MEDIANAMENTE SEPARADAS
PRÓXIMAS
MUY PRÓXIMAS
> 2 m
2 - 0,6 m
0,6 - 0,2 m
0,2 - 0,06 m
< 0,06 m
SÓLIDO
MASIVO
CON BLOQUES / ESTRATOS
FRACTURADO
MUY FRACTURADO
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Según MÜLLER, la PERSISTENCIA o CONTINUIDAD es el cociente entre
el área soldada y el área total de una discontinuidad; es decir:
K = A C / A
donde: K = persistencia; A C = Área soldada; A =Área total.
La ISRM clasifica las juntas en tres tipos:
PERSISTENTES: Son continuas en toda la zona de estudio
SUBPERSISTENTES: Con puentes de roca y/o saltos.
NO PERSISTENTES: No continuas.
En la figura se pueden ver ejemplos idealizados de familias de los distintos
tipos.
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El TAMAÑO DE BLOQUE viene definido por el número de familias, el
espaciamiento y la persistencia de las discontinuidades. La forma del bloque
dependerá del número de familias y de la orientación. El tamaño de bloque puede
describirse por:
INDICE DE TAMAÑO DE BLOQUE ( I b ), estimando en varios bloques el
valor valor medio de las dimensiones (no es muy fiable si el número de
familias es menor de tres):
NÚMERO DE JUNTAS POR m 3 ,( J V ) :
siendo Si el espaciamiento medio (no el modal) de cada una de las familias.
En función del número de juntas por m3 los bloques se clasifican en:
TABLA 29 - DESCRIPCIÓN DEL TAMAÑO DE BLOQUE
DESCRIPCIÓN
J V
MASIVO BLOQUE GRANDE BLOQUE MEDIO
BLOQUE PEQUEÑO BLOQUE MUY PEQUEÑO
TRITURADO
< 1
1 - 3 3 - 10
10 - 30 > 30 > 60
nS = I i
b Σ
S1
= Ji
v Σ
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Para dar una impresión del tamaño y forma del bloque, los macizos rocosos
pueden describirse, según la ISRM, tal y como se muestra en la tabla 30; en la figura se
muestran unos esquemas de ejemplo.
TABLA 30 - DESCRIPCIÓN DEL MACIZO EN FUNCIÓN DE LOS BLOQUES
MASIVO
EN BLOQUES
TABULAR
COLUMNAR
IRREGULAR
TRITURADO
Pocas juntas o muy ampliamente espaciadas
Aproximadamente equidimensionales
Una dimensión es considerablemente más pequeña que las otras dos
Una dimensión es considerablemente más grande que las otras dos
Con grandes variaciones en forma y tamaño de bloques
Con muchísimas discontinuidades
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RECUPERACIÓN y RQD
Estas propiedades no representan directamente ninguna características “tangible” de la roca,
obedecen a convencionalismos establecidos por actuaciones del hombre; en concreto los sondeos
de reconocimiento.
La RECUPERACIÓN se
define como el porcentaje de
testigo obtenido respecto de la
longitud total del sondeo; en el
caso de las rocas suele ser muy
alto (valores superiores al 95 %) y
no debe establecerse para todo el
sondeo, más bien conviene
tramificarlo, como mínimo por
formaciones geológicas.
El RQD ( ROCK QUALITY
DESIGNATION ), definido por
Deere, es el porcentaje de
recuperación de testigos de más
de 10 cm de longitud (en su eje),
sin tener en cuenta las roturas
frescas del proceso de
perforación, respecto de la
longitud total del sondeo:
(Fórmula de Palmström: RQD = 115 – 3,3.Jv)
100 sondeo del totalLongitud
eje elen cm 10 de s dem srecuperado testigosLongitud = RQDΣ
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RUGOSIDAD, APERTURA, RELLENO y FLUJO DE AGUA
La rugosidad de una junta es un componente importantísimo en la resistencia a corte,
importancia que disminuye con la apertura, el espesor de rellenos y los desplazamientos previos
sufridos; la rugosidad de una junta también puede provocar comportamientos dilatantes cuando se
somete a esfuerzos cortantes en su plano a una junta más o menos cerrada y acoplada.
La RUGOSIDAD viene caracterizada por las irregularidades de la superficie. Hay
que distinguir entre las “irregularidades de primer orden” u ondulaciones a gran escala
(MACRORRUGOSIDAD) y las “irregularidades de segundo orden” a pequeña o mediana
escala (MICRORRUGOSIDAD) que se dañan con el corte, a menos que la resistencia a
compresión de la superficie sea grande y/o el nivel de tensiones sea bajo.
La ISRM establece una nomenclatura para los distintos perfiles de rugosidad (ver figura en
página siguiente) que se presenta en la tabla 31.
TABLA 31 - NOMENCLATURA DE LA ISRM PARA LA RUGOSIDAD DE LAS JUNTAS
TIPO
DESCRIPCIÓN
I
II
II
IV
V
VI
VII
VIII
IX
RUGOSA ESCALONADA
LISA ESCALONADA
PULIDA ESCALONADA
RUGOSA ONDULADA
LISA ONDULADA
PULIDA ONDULADA
RUGOSA PLANA
LISA PLANA
PULIDA PLANA
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PERFILES DE RUGOSIDAD SEGÚN LA ISRM
INDICES DE RUGOSIDAD JRC
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La APERTURA es la distancia perpendicular entre las caras de la roca de
una discontinuidad, cuyo espacio está relleno de aire o agua. Debe distinguirse
entre los siguientes términos.
APERTURA: aplicable a juntas vacías (solo tienen aire o agua)
ANCHO: aplicable a juntas con relleno
La ISRM propone la clasificación que aparece en la tabla 32:
TABLA 32 – CLASIFICACIÓN DE LA ISRM PARA LA APERTURA
APERTURA DESCRIPCIÓN
< 0,1 mm
0,1 – 0,25 mm
0,25 – 0,50 mm
CERRADAS
MUY CERRADA
CERRADA
ALGO ABIERTA
0,5 – 2,5 mm
2,5 – 10 mm
> 10 mm
ABIERTAS
ABIERTA
MODERADAMENTE ANCHA
ANCHA
1 – 10 cm
10 – 100 cm
> 1 m
MUY ABIERTAS
MUY ANCHA
EXTREMADAMENTA ANCHA
CAVERNOSA
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El RELLENO en una junta es el material, distinto del agua o del aire, que
separa las superficies de roca. Los materiales de relleno pueden ser muy
variables, y conviene distinguir entre:
AUTÓCTONOS :proceden de la misma roca
ALÓCTONOS :han venido del exterior
El estudio de los rellenos es necesario y complejo, y requerirá, entre otras,
las consideraciones sobre:
§ RESISTENCIA DEL RELLENO § PERMEABILIDAD Y HUMEDAD § ESPESOR § GRADO DE ALTERACIÓN § MINERALOGÍA § TAMAÑO DE PARTÍCULAS § PLASTICIDAD § Etc. Etc. ...
El agua que circula por el macizo rocoso circula, en general, por las juntas.
Se tendrá que determinar el FLUJO DE AGUA EN LAS JUNTAS, teniendo en
cuenta que cerca de la superficie el flujo tiene carácter estacional. En la tabla 33
se presenta un modo de descripción del flujo en las juntas.
TABLA 33 – FLUJO DE AGUA EN LAS JUNTAS (ROMANA, 1993)
JUNTAS SIN RELLENO JUNTAS CON RELLENO DESCRIPCIÓN
JUNTA FLUJO RELLENO FLUJO
SECA Seca No Seco No
LIGERAMENTE HÚMEDA Manchada No Húmedo No
HÚMEDA Húmeda No Saturado Alguna gota
GOTEANDO Mojada Ocasional Semilavado Goteo
FLUYENDO Mojada Continuo Lavado Continuo
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ALTERACIÓN y RESISTENCIA
El estado de los bordes de una discontinuidad tiene gran influencia en su
resistencia a compresión, que puede ser menor que la de la propia roca matriz,
debida a la alteración o meteorización en las paredes. Tanto en los procesos de
alteración como en los de meteorización las discontinuidades son “caminos
preferentes” para los agentes que los causan.
Todo lo dicho para la alteración de la roca matriz (páginas 22 a 25) es
aplicable a la hora de estudiar la alteración de los bordes.
Del mismo modo en cuanto a la resistencia (páginas 32 a 34), pero en el
caso de las juntas será importantísimo el estudio de la resistencia a corte de la
junta, muy dependiente de la rugosidad, la apertura y el relleno. Es un tema
complejo y queda totalmente fuera del programa de este curso.
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CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS
¿Qué son las Clasificaciones Geomecánicas?
(Texto tomado de M. Romana)
Según el DRAE clasificar es "ordenar o disponer por clases" y se refiere a la tercera
acepción de la palabra clase: "orden en que, con arreglo a determinadas condiciones o calidades, se consideran comprendidas diferentes personas o cosas". La palabra orden se define en su cuarta acepción como "serie o sucesión de las cosas" y en su décima acepción se define como "cada uno de los grupos taxonómicos en que se dividen las clases (en botánica y zoología)".
Por lo tanto si utilizáramos correctamente el lenguaje sólo nos referiríamos a dos formas de clasificar: • La primera, ordenar por algún carácter, como por ejemplo ordenar una serie de
individuos por su altura o una serie de minerales por su dureza (escala de Mohs) • La segunda, definir una serie de clases específicas (como las especies biológicas o
taxones) que se diferencian de las demás, no por uno sino por un conjunto de caracteres (como las clasificaciones mineralógicas).
Pero cuando hablemos de "clasificaciones geomecánicas" nos estaremos refiriendo a un proceso que es distinto a los dos descritos anteriormente. Estas llamadas "clasificaciones geomecánicas" son algoritmos aritméticos que permiten asignar a cada caso concreto un número que expresa algo que podríamos llamar "calidad geomecánica". En rigor no estamos clasificando sino valorando.
Bieniawski (1997) iniciaba su intervención en el último Seminario EUROCK 97 con la siguiente cita de Lord Kelvin:
"Si puedes medir y expresarlo en números aquello de que estás hablando, sabes algo sobre ello, pero cuando no puedes expresarlo con números tus conocimientos son débiles e insatisfactorios".
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PRINCIPALES CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS
Se han propuesto diversas clasificaciones geomecánicas para la identificación de terrenos; inicialmente para ser aplicadas a la excavación de túneles, aunque posteriormente se han ido modificando o “reconduciendo” para otros ámbitos de aplicación: taludes, cimentaciones, excavabilidad, ... o bien se han desarrollado clasificaciones especificas para esos fines. Se presenta a continuación una lista, no exhaustiva, de las principales clasificaciones.
q Clasificación de Terzaghi (1946)
q Clasificación de Lauffer (1958)
q Clasificación de Deere basada en el RQD (1970)
q Clasificación basada en el índice RSR (1972)
q Clasificación de la A.F.T.E.S. (1976)
q Clasificación de la Nihon Doro Kodan (1980)
q Clasificación RMR de Bieniawski (1973, 79)
q Clasificación Q de Barton (1975)
q Clasificación SMR de Romana (1985, 1993)
TABLA 34 – PRINCIPALES CLASIFICACIONES INGENIERILES DE MACIZOS ROCOSOS ACTUALMENTE EN USO (SEGÚN BIENIAWSKI EN 1989)
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LA CLASIFICACIÓN RMR DE BIENIAWSKI
Bieniawski (1973) presentó un nuevo sistema de clasificación de macizos rocosos
mediante un índice RMR (en inglés "rock mass rating"). Algunos autores llaman a la
clasificación de Bieniawski clasificación CSIR, nombre abreviado del organismo sudafricano
en el que Bieniawski la desarrolló.
En una segunda versión Bieniawski (1976, 1979) estableció la forma actual. El índice
numérico del macizo rocoso, RMR básico, es independiente de la estructura a construir y se
obtiene sumando las valoraciones atribuidas a cinco parámetros:
q Resistencia de la matriz rocosa a compresión simple (Co)
q RQD
q Frecuencia de las juntas (S)
q Estado de las juntas
q Agua dentro del macizo rocoso
TABLA 35 – VALORACIÓN DE PARÁMETROS PARA OBTENER EL RMR
RMR BÁSICO = Σ VALORES (BIENIAWSKI, 1979)
PARÁMETRO RANGO DE VALORES
<25 <250 250-100 100-50 50-25
25-5 5-1 <1 RESISTENCIA (MPa) A
COMPRESIÓN SIMPLE DE LA MASA ROCOSA 15 12 7 4 2 1 0
100-90 90-75 75-50 50-25 <25 RQD (%) ROCK QUALITY DESIGNATION 20 17 13 8 3
>2000 2000-600 600-200 200-60 <60 ESPACIAMIENTO (mm) SEPARACIÓN ENTRE JUNTAS 20 15 10 8 5
MUY RUGOSAS CERRADAS
BORDES SANOS Y DUROS NO CONTINUAS
ALGO RUGOSAS SEPARACIÓN < 1 mm
BORDES ALGO METEORIZADOS
ALGO RUGOSAS SEPARACIÓN < 1 mm
BORDES MUY METEORIZADOS
ó ESPEJO DE FALLA ó RELLENO < 5 mm
ó SEPARACIÓN 1-5 mm
ó RELLENO BLANDO >5mm ó SEPARACIÓN >5 mm
CONTINUAS
CONDICIÓN DE LAS JUNTAS RUGOSIDAD, PERSISTENCIA,
APERTURA, METEORIZACIÓN DE BORDES Y RELLENO
30 25 20 10 0 SECAS
(0) LIG. HÚMEDAS
(0-0.1) HÚMEDAS
(0.1-0.2) GOTEANDO
(0.2-0.5) FLUYENDO
(0.5) FLUJO DE AGUA EN LAS JUNTAS
(RAZÓN DE PRESIONES INTERSTICIALES) 20 7 13 8 3
Al valor del RMR básico hay que sumarle un factor de ajuste (tabla 36), que es
función de la orientación de las discontinuidades, definido cualitativamente y que tiene
valores distintos según se aplique a túneles, cimentaciones o taludes.
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TABLA 36 - FACTORES DE AJUSTE (BIENIAWSKI, 1979, 1989)
ORIENTACIÓN DE
LAS DISCONTINUIDADES →
MU
Y F
AV
OR
AB
LE
FAV
OR
AB
LE
NO
RM
AL
DE
SFA
VO
RA
BLE
MU
Y D
ES
FAV
OR
AB
LE
TÚNELES 0 -2 -5 -10 -12
CIMENTACIONES 0 -2 -7 -15 -25 VALORES
TALUDES 0 -5 -25 -50 -60
El resultado de la resta es el índice final RMR, que puede variar entre 0 y 100. Los macizos rocosos se clasifican en 5 clases según el valor de dicho índice.
TABLA 37 - Clases de macizo rocoso según el valor del RMR ajustado
RMR 100 - 81 80 - 61 60 - 41 40 - 21 20 - 0
CLASE I II III IV V
DESCRIPCIÓN MUY BUENA BUENA MEDIA MALA MUY MALA
TABLA 38 – RECOMENDACIONES INDICATIVAS PARA LA EXCAVACIÓN Y EL SOSTENIMIENTO DE TÚNELES EXCAVADOS EN ROCA (BIENIAWSKI, 1989)
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LA CLASIFICACIÓN Q DE BARTON
La clasificación geomecánica Q (inicial de quality), también conocida como clasificación de Barton (nombre de su primer autor) o NGI (de Norwegian Geotechnical Institute), se desarrolló inicialmente como una secuela del concepto de RQD. El valor del ÍNDICE DE CALIDAD DE LA MASA ROCOSA Q es:
SRFJ
xJJ
xJ
RQDQ W
a
r
n
=
donde cada parámetro tiene el siguiente significado:
q RQD valor del RQD, expresado en tanto por ciento, y como mínimo 10. q Jn parámetro que depende del número de familias de
juntas presente en la masa rocosa. q Jr parámetro que depende de la rugosidad de las juntas. q Ja parámetro que depende del grado de meteorización de las juntas. q Jw parámetro que depende de la presencia de agua, y de su presión. q SRF parámetro complejo que depende del estado tensional del
macizo (en relación con la resistencia a compresión simple de la matriz rocosa) pero también de la existencia de juntas abiertas o sin relleno) en las cercanías de la superficie.
Es preciso calcular el valor de Q para cada familia de juntas y elegir el menor. Las clases de roca, según el valor de Q, son las siguientes:
TABLA 39 - CLASES DE ROCA SEGÚN EL VALOR DE Q
Q Clase de roca Equivalente aproximado con el sistema RMR (*)
400 - 1.000 100 – 400 40 – 100 10 – 40 4 – 10 1 – 4
0.1 - 1 0.01 - 0.1
0.001 - 0.01
Excepcionalmente buena Extremadamente buena
Muy buena Buena Normal
Mala Muy mala
Extremadamente mala Excepcionalmente mala
98 - 100 85 - 90 77 - 85 65 - 77 56 - 65 44 - 56 23 - 44 2 - 23 0 - 2
(*) añadido siguiendo la correlación RMR = 44 + 9 ln Q
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José Bernardo Serón Gáñez M. Elvira Garrido de la Torre Departamento de Ingenieria del Terreno – U.P.V.
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LA CLASIFICACIÓN SMR DE ROMANA
Romana (1985) presentó la clasificación SMR como un método de determinación de los factores de ajuste adecuados para aplicar la clasificación RMR de Bieniawski a los taludes.
El índice SMR para la clasificación de taludes se obtiene del índice RMR
básico sumando un "factor de ajuste", que es función de la orientación de las
juntas (y producto de tres subfactores) y un "factor de excavación" que depende
del método utilizado:
SMR = RMR + (F1 x F2 x F3) + F4
F1 Depende del paralelismo entre el rumbo de las juntas y el talud.
F2 Depende del buzamiento de la junta en la rotura plana.
F3 Refleja la relación entre los buzamientos de la junta y el talud.
F4 Es el factor de ajuste según el método de excavación.
La valoración de los factores de ajuste se presenta en la tabla 41
Según el valor del índice SMR se obtienen 5 clases de estabilidad de los
taludes, definidas simplificadamente en la siguiente tabla:
TABLA 40 – CLASES DE ESTABILIDAD SEGÚN EL SMR
Clase nº V IV III II I
SMR 0 - 20 21 - 40 41 - 60 61 - 80 81 – 100
Descripción Muy mala Mala Normal Buena Muy buena
En la tabla 42 se amplia la tabla anterior, indicando la estabilidad, roturas y sostenimientos correspondientes a cada clase. Se ha comprobado que parece conveniente dividir cada clase en dos subclases, con un rango de 10 puntos cada una de ellas.
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TABLA 41 – VALORACIÓN DE LOS FACTORES DE AJUSTE DEL SMR
SMR = RMRb + (F1 x F2 x F3 )+ F4 (ROMANA, 1985)
FACTORES DE AJUSTE DE LAS JUNTAS (F1 , F2 , F3 )
αj = DIRECCIÓN DE BUZAMIENTO DE LA JUNTA
αs = DIRECCIÓN DE BUZAMIENTO DEL TALUD
βj = BUZAMIENTO DE LA JUNTA
βs = BUZAMIENTO DEL TALUD
MUY FAVORABLE FAVORABLE NORMAL DESFAVORABLE MUY DESFAVORABLE
ROTURA PLANA |αj - αs| =
VUELCO |αj - αs - 180º| = > 30º 30º - 20º 20º - 10º 10º - 5º < 5º
VALORES 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00
AJUSTE ANALÍTICO F1 = (1- sen |αj - αs|)2
| βj | = < 20 º 20º-30º 30º-35º 35º-45º >45º ROTURA PLANA 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00
VALORES VUELCO 1.00
AJUSTE ANALÍTICO F2 = tg 2 βj
ROTURA PLANA βj - βs = >10º 10º-0º 0º 0º-(-10º) <(-10º)
VUELCO βj + βs = < 110º 110º-120º >120º - - VALORES 0 -6 -25 -50 -60
AJUSTE ANALÍTICO F3 (SE MANTIENEN LOS VALORES PROPUESTOS POR BIENIAWSKI, 1976)
F4 = VALORES EMPÍRICOS ESTABLECIDOS PARA CADA MÉTODO DE EXCAVACIÓN
TALUD NATURAL PRECORTE VOLADURA SUAVE VOLADURA ó MECÁNICO VOLADURA DEFICIENTE FACTOR DE AJUSTE POR EL MÉTODO DE EXCAVACIÓN
+15 +10 +8 0 -8
TABLA 42 – CLASES DE ESTABILIDAD, FORMAS DE ROTURA Y
SOSTENIMIENTOS SUGERIDOS DESCRIPCIÓN DE LAS CLASES SMR
CLASE Vb Va IVb IVa IIIb IIIa IIb IIa Ib Ia
DESCRIPCIÓN MUY MALA MALA NORMAL BUENA MUY BUENA
ESTABILIDAD TOTALMENTE INESTABLE INESTABLE PARCIALMENTE
INESTABLE ESTABLE TOTALMENTE ESTABLE
ROTURAS GRANDES ROTURAS POR PLANOS
CONTINUOS O POR LA MASA JUNTAS O GRANDES CUÑAS
ALGUNAS JUNTAS O MUCHAS CUÑAS
ALGUNOS BLOQUES NINGUNA
SOSTENIMIENTOS REEXCAVACIÓN IMPORTANTES SISTEMÁTICOS OCASIONALES NINGUNO
VALORES DEL SMR PARA CADA FORMA DE ROTURA (EMPÍRICOS) ROTURAS PLANAS MUY GRANDES IMPORTANTES NINGUNA
ROTURAS EN CUÑA MUCHAS ALGUNAS MUY POCAS NINGUNA ROT. POR VUELCO IMPORT. MENORES NINGUNA
ROT. COMPLETAS POSIBLES NINGUNA
0 10 15 20 30 40 45 50 55 60 65 70 75 80 90 100 SMR à
REEXCAVACIÓN REEXCAVACIÓN
MUROS DE CONTENCIÓN
DRENAJE DRENAJE SUPERFICIAL DRENAJE PROFUNDO
HORMIGÓN
HORMIGÓN PROYECTADO HORMIGÓN DENTAL
CONTRAFUERTES y/o VIGAS MUROS DE PIE
REFUERZO BULONES ANCLAJES
PROTECCIÓN ZANJA DE PIE
VALLAS (DE PIE O DE TALUD) REDES y/o MALLAS (DE TALUD)
SIN SOSTENIMIENTO
SANEO
NINGUNO
MÉTODOS DE SOSTENIMIENTO SUGERIDOS