Juan Montero Olarte

Captulo 11 CARACTERIZACIO GEOLOGICA DE MACIZOS

ROCOSOS Juan Montero Olarte

1

ITRODUCCIO

Esta nota tcnica se relaciona con la caracterizacin geolgica de macizos rocosos en relacin con la estabilidad de taludes de corte principalmente. En este contexto el macizo rocoso comprende el conjunto del material rocoso, es decir, la sustancia rocosa misma, y las discontinuidades geolgicas que aslan los bloques o fragmentos de roca que lo conforman. Un talud vertical de 40m-60, realizado en un macizo imaginario de arenisca que no tuviera planos estructurales, podra mantenerse estable. Pero generalmente un talud de tal magnitud e inclinacin en un macizo real, en ese tipo de roca, es de alguna manera inestable, como consecuencia del desplazamiento de masas de roca a lo largo de las discontinuidades estructurales o su desprendimiento. En el caso particular de que la roca este intensamente fracturada pueden desarrollarse fallas de tipo rotacional o semejante. Las caractersticas de resistencia y deformabilidad de los macizos rocosos dependen fundamentalmente entonces, de las caractersticas de las discontinuidades estructurales, las cuales actan como planos dbiles. Esta condicin es particularmente cierta en el caso de excavaciones abiertas, como las excavaciones viales o mineras superficiales, realizadas en rocas duras. Si la resistencia al desplazamiento de corte es apreciablemente menor a lo largo de esas discontinuidades que a travs del material rocoso, estas discontinuidades estructurales constituyen verdaderas discontinuidades mecnicas y el macizo se considera como un macizo de roca dura. En el caso de que la resistencia a lo largo de las mismas sea semejante al del material rocoso, ste tipo de macizos falla a lo largo del material y se considera como un macizo de roca blanda. Se describen a continuacin los factores de los macizos que determinan su estabilidad en excavaciones abiertas, los cuales son tambin aplicables en algunos casos a excavaciones subterrneas. Estos factores se relacionan con la orientacin y posicin espacial de las discontinuidades y otras caractersticas de las mismas tales como su resistencia, sus asperezas, el tipo de relleno o sellante alojado en las mismas y las condiciones de flujo de agua subterrnea.

RESISTECIA Y IVEL DE ESFUERZOS

Resistencia del Material Rocoso

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

1 Profesor asociado UNAL

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a) Rocas Cristalinas Masivas. Con partculas minerales mecnicamente entrabadas y con orientacin

aleatoria como las gneas en general, las calizas lticas y las cuarcitas. b) Rocas Cristalinas Foliadas. Con partculas minerales mecnicamente entrelazadas, con orientacin

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

c) Rocas con Textura Clstica Cementada. Con partculas 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 detrtitcas como las areniscas y los conglomerados. Las variedades ms resistentes poseen cemento silceo, sus partculas estn bien empaquetadas y su porosidad es muy reducida.

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

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

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

TEXTURA EJEMPLOS RESISTECIA A LA

COMPRESI SIMPLE (Kg/cm2)

Cristalina Masiva*

Cuarcita, diabasa, basalto denso

1.200 2.500

Cristalina Foliada Filita, esquisto, neis 500 1.800

Clstica Consolidada Arenisca 50 1.500

Clstica Cementada Lutita 50 1.500

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

6.2.2 ivel de Esfuerzos

Este factor se incrementa con el aumento de la profundidad y el tamao de las excavaciones. La gran mayora de las excavaciones subterrneas exigen profundidades alrededor de 300m a 600m para las cuales las presiones litostticas varan entre 75 y 150 Kg/cm2.

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Teniendo en cuenta la siguiente relacin emprica entre la presin vertical (v) y la resistencia a la compresin simple (c):

v/c > 0.2 (vli

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

2 o con menos frecuencia c < 750 Kg/cm

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

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

Si los esfuerzos horizontales son mayores que los verticales, (mayor valor del coeficiente de presin de tierras K = H / V), situacin corriente en pases tectnicamente activos como Colombia, las rocas pueden comportarse como rocas blandas, a profundidades menores que las indicadas, es decir que para igual condicin de cobertura de roca, tambin se rebajara el valor de c

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

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

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

CARACTERISTICAS DE LAS DISCOTIUIDADES ESTRUCTURALES

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

FACTORES GEOMETRICOS

Comprende la orientacin y posicin espacial de las discontinuidades, lo cual se refleja en el tamao, forma y posicin espacial de los fragmentos o bloques de roca aislados entre discontinuidades.

2 En rocas blandas esta la relacin podra ser algo menor a 0.2

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Orientacin

La orientacin 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 trmino se refiere a un conjunto de diaclasas paralelas, el segundo tiene que ver con agrupaciones tpicas de diaclasas cada una de las cuales por lo general presenta la misma historia de esfuerzos. Esta caracterstica controla la posibilidad de que se presente condiciones favorables o desfavorables de estabilidad, segn la manera como influya la redistribucin 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 orientacin de las discontinuidades se visualiza en una perspectiva (2a), o mediante un bloque diagrama (2b). La orientacin se determina en el campo con mediciones sistemticas de la actitud estructural, de los diferentes juegos de diaclasas u otras discontinuidades, las cuales suelen representarse en la red estereogrfica polar o ciclogrfica (Figura 3). En la Figura 4 se aprecian diferentes tipos de falla de taludes, cuyos mecanismos estn definidos bsicamente por la interaccin geomtrica de los planos estructurales y la geometra del talud de corte.

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

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Figura 2 En la parte (a) se aprecia una perspectiva que muestra la relacin entre la geometra de un proyecto de excavacin subterrnea y la orientacin espacial de tres familias de discontinuidades; en (b) un bloque diagrama que ilustra una relacin semejante pero con ms detalle

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

inclinacin; 3 un conjunto casi horizontal

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

Espaciamiento

Este trmino se refiere a la separacin media entre discontinuidades adyacentes y controla el tamao de bloques individuales de material rocoso. Cuando el espaciamiento es muy denso tiende a presentarse condiciones de baja cohesin de masa, mientras que si es amplio la condicin de entrabamiento de bloques es por lo general favorable.

231

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

Figura 5 El bloque diagrama muestra tres familias de diaclasas y la separacin relativa entre discontinuidades; da una idea sobre el tamao y la posicin espacial de bloques

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

233

FACTORES DE RESISTECIA

En los anlisis corrientes de estabilidad de taludes intervienen tres parmetros: la densidad (), la cohesin (c) y el ngulo de resistencia interna (). Un anlisis grfico de la relacin entre el esfuerzo cortante () y el esfuerzo normal () (Figura 7), permite entender los conceptos de cohesin y ngulo de resistencia interna. Segn se aprecia, la cohesin es un parmetro de resistencia inherente, independiente de la carga normal, en tanto que el ngulo de resistencia interna depende de la carga normal y se incrementa con sta. La relacin entre el esfuerzo de corte y el esfuerzo normal se expresa en la siguiente ecuacin:

tg+= c (1)

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

superficie de falla

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Persistencia

Este factor de muy difcil medicin, est relacionado con el grado de continuidad de las diaclasas; en promedio determina la extensin para la cual el material rocoso y las diaclasa afectan separadamente las propiedades mecnicas de la masa. La resistencia al corte en este caso depende de la combinacin de la resistencia inherente al corte de los puentes de roca intacta y aquella que se pueda desplazar a lo largo de la discontinuidad. Este factor puede expresarse en un coeficiente de continuidad (k) de diaclasamiento para una superficie potencial de falla, el cual se define como la relacin entre la suma de reas de diaclasas localizadas a lo largo de esta superficie y el rea total de la misma. Para la medida de continuidad se recomienda medir la longitud de la discontinuidad, hasta su interrupcin en el caso que sea visible, tanto a lo largo del buzamiento como a lo largo de la direccin de capa. La persistencia para diferentes familia de discontinuidad puede considerarse como: persistentes, sub-persistentes, y no persistente. En la Figura 8 se ilustra mediante bloques diagrama la persistencia relativa a lo largo de diferentes familias de diaclasas y en la Figura 9 se presentan ejemplos idealizados de potencial de falla, teniendo en cuenta la persistencia de las discontinuidades.

Rugosidades superficiales y Resistencia en la Pared

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

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

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

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

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

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Figura 10 Resistencia al corte en muestras aserradas

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

( )( ) JCSJRCtanc b 10log++= (3) donde JRC representa un coeficiente de rugosidad y JCS es la resistencia a la compresin simple de la roca en la pared de la diaclasa. En la prctica, si el nivel de esfuerzos es bajo, caso de excavaciones superficiales de poca altura como pequeos cortes de carretera, las irregularidades de segundo orden pueden desplazar suficiente resistencia para que el talud se mantenga estable. En este caso el valor de se puede calcular teniendo el cuenta el valor de i2 , el cual como se ha podido comprobar es mayor que i1 . Si el nivel de esfuerzos es intermedio (casos de excavaciones de gran altura), las discontinuidades de segundo orden se destruyen y solo las de primer orden pueden desplazar resistencia al corte; se puede presentar una falla pero en este caso el macizo se dilata antes del desplazamiento. Si el nivel de esfuerzos es alto, caso de excavaciones sub superficiales (tneles y galeras a gran profundidad) la falla puede presentarse, pero en este caso las irregularidades de primer orden ( i1 ) tambin se desplazan por cortante. La medicin de las asperezas es algo compleja. La manera ms fcil es, midiendo con una brjula la orientacin de las discontinuidades de primer orden a lo largo de una lnea de medicin que corresponda a la de la tendencia del desplazamiento. La brjula se monta sobre discos de diferente dimetro y las mediciones deben ser lo ms juntas posibles. Tambin se pueden hacer las mediciones usando perfilmetros especiales. La Figura 11 ilustra la manera como se mide e interpreta la ondularidad de las diaclasas.

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

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

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

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Figura 12 Tabla de perfiles tpicos de rugosidad

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

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Figura 13 Grfica que permite estimar la Resistencia a la Compresin Simple (c), mediante mediciones de dureza con el martillo Schmidt, con diferentes orientaciones de impacto

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

240

Figura 14

241

Aberturas, Rellenos y Sellantes.

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

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

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

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Tabla 2 Tipos de rellenos y comportamiento.

TIPOS EJEMPLOS COMPORTAMIETO

Arcillas Caolinitas, montmorillonita

Ablandamiento con o sin expansin importante.

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

Materiales deslebles Clorita, sericita Son evacuados fcilmente

Materiales soluble Calcita Se disuelven y eventualmente son evacuados.

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

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

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

3) El relleno es muy delgado y en este caso se considera nicamente una modificacin del ngulo de friccin interna.

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

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

243

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

244

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

Flujo de Agua.

En los macizos de roca el flujo de agua est concentrado preferencialmente en las diaclasas abiertas, y las cabezas hidrulicas generadas dependen de la intercomunicacin que existe entre las discontinuidades. Es muy comn la ocurrencia de fallas, como consecuencia de altas cabezas que operan como cuas hidrulicas. En este caso la ecuacin que expresa la relacin se modifica, teniendo en cuanta la influencia de la presin del agua. ( ) ( )iuc ++= tg (4)

En los suelos el flujo de agua es relativamente isotrpico y el nivel fretico corresponde al nivel que alcanza el agua en un pozo y que corresponde a la presin atmosfrica. En los macizos de roca el flujo de agua est concentrado preferencialmente en las diaclasas abiertas, y las cabezas hidrulicas generadas dependen de la intercomunicacin que existe entre las discontinuidades. Es muy comn la ocurrencia de fallas, como consecuencia de altas cabezas que operan como cuas hidrulicas.En la Tabla 3 se presenta una terminologa para describir categoras de flujo de agua en macizos rocosos considerando la manera como se presenta el flujo y su efecto en los rellenos.

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Tabla 3 Categoras de flujo de agua en macizos rocosos Categora DISCONTINUIDADES SIN RELLENO DISCONTINUIDADES CON RELLENO

I LA DISCONTINUIDAD APARECE

MUY LIMPIA Y SECA, EL FLUJO DE

AGUA NO PARECE QUE PUEDA

OCURRIR

EL RELLENO SE ENCUENTRA

FUERTEMENTE CONSOLIDADO Y SECO, EL

FLUJO PARECE IMPOSIBLE DEBIDO A LA

BAJA PERMEABILIDAD

II LA DISCONTINUIDAD ESTA SECA

SIN EVIDENCIAS DE FLUJO DE

AGUA

EL RELLENO SE ENCUENTRA HMEDO

PERO NO HAY AGUA LIBRE

III LA DISCONTINUIDAD ESTA SECA

PERO MUESTRA EVIDENCIAS DE

FLUJO DE AGUA COMO

OXIDACIONES O MOHO

EL RELLENO SE ENCUENTRA MOJADO Y

EVENTUALES GOTAS DE AGUA

IV LA DISCONTINUIDAD SE APRECIA

HMEDA PERO NO HAY AGUA

LIBRE

EL RELLENO PRESENTA SIGNOS DE

LAVADO, FLUJO CONTINUO. SE DEBE

ESTIMAR LA CANTIDAD DE FLUJO POR

MINUTO

V LA DISCONTINUIDAD PRESENTA

FLUJO, OCASIONALES GOTAS DE

AGUA, PERO NO HAY FLUJO

PERMANENTE

EL RELLENO HA SIDO LAVADO EN

CIERTAS PARTES, EL FLUJO DE AGUA ES

CONSIDERABLE. SE DEBE ESTIMAR LA

CANTIDAD DE FLUJO POR MINUTO Y

CALIFICAR LA PRESIN COMO BAJA,

MEDIA O ALTA

VI LAS DISCONTINUIDAD PRESENTA

FLUJO PERMANENTE DE AGUA. SE

DEBE ESTIMAR LA CANTIDAD DE

FLUJO POR MINUTO Y CALIFICAR

LA PRESIN COMO BAJA, MEDIA O

ALTA

EL RELLENO HA SIDO LAVADO

COMPLETAMENTE Y LA PRESIN ES MUY

ALTA. SE DEBE ESTIMAR LA CANTIDAD DE

FLUJO POR MINUTO Y CALIFICAR LA

PRESIN COMO BAJA, MEDIA O ALTA

246

CLASIFICACI GETICA DE LAS DIACLASAS Y OTRAS DISCOTIUIDADES

ESTRUCTURALES

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

E BATOLITOS

En las masas granticas que conforman los batolitos se reconocen 3 juegos (Figura 17A):Q y S se presentan verticales o casi verticales y corresponden a las grietas de traccin por enfriamiento; el primer juego en posicin transversal a la direccin del flujo magmtico; el segundo, subsecuente, en la misma direccin del flujo. Pueden estar rellenas con aplita3 . El tercer juego, identificado con la letra L, corresponde a las lminas de alivio; son diaclasas estrechamente juntas, cuyo intervalo aumenta en profundidad; son debidas a alivio por la descarga debido a la denudacin que expone las intrusiones. Al producirse la denudacin, la roca pierde progresivamente confinamiento y se expande en la direccin vertical a la exposicin topogrfica, nica en la cual no est confinada.

E MATOS DE LAVA BASLTICA

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

E PLEGAMIETOS SEDIMETARIOS

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

DIACLASAS DE ALIVIO E LAS PAREDES DE LOS VALLES

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

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

247

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

DIACLASAS DE ORIGE TECTOICO

Corresponde a dos juegos de diaclasas cuya intercepcin forma un ngulo agudo, cuyo vrtice seala la direccin de mximo esfuerzo de copresin. Se forman cuando los esfuerzos de cortes generados en la compresin de las capas son suficientes para sobrepasar la resistencia al corte del material, antes que haya cesado las fuerzas que origina el plegamiento; tambin se interpretan estas como la expresin visible de esfuerzos residuales, remanentes en las rocas despus de que ces la deformacin. Por lo general estas diaclasas son cerradas y pulidas o lisas. En las Figura 18 se presenta en forma grfica una propuesta para evaluar la calidad de los macizos mediante el ndice Geolgico de Resistencia (GSI) propuesto por Hoek (1995). Aunque se usa para evaluar la calidad de los macizos de rocas en excavaciones para tneles, constituye un buen ejemplo que ilustra la caracterizacin de macizos en ingeniera. Primero la roca se clasifica en 4 categoras segn su estructura en (1) masa de bloques cbicos sanos bien entreabados, con 3 juegos de diaclasas; (2) masa de bloques angulares alterados, formados por 4 ms familias de diaclasas; (3) Masa de roca replegada y/o falada, en condicin triturada y (4) Masa de roca muy desintegrada, con muy pobre entrabamiento, con mezcla de fragmentos angulares y redondeados. Para cada categora se define una calidad particular entre buena y muy mala, dependiendo de su grado de meteorizacin, rugosidad y rasgos de esfuerzos.

248

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

249

TABLA 4 Clasificacin gentica de las discontinuidades estructurales Tipos

Rocas Igneas

Rocas Sedimentarias

Rocas Metamrficas

Discontinuidades Primarias

Batolitos Grietas Transversales Q Longitudinales S Mantos Disyuncin Columnar En basaltos

Traccin por enfriamiento Rugosas, y

Abiertas;

Pueden estar

selladas con

aplita o

pegmatita

Capas Estratificacin Laminacin Discordancias

De depsito Actitud

variable

Pizarrosidad Esquistosidad Foliacin Bandeamiento Clivaje

De cambio textural Actitud

variable

Discontinuidades Secundarias

Batolitos Lminas de alivio

Traccin por descarga Abiertas y

rugosas, progresi-vamente ms espaciadas en profundidad

Pliegues Tensin (t) Extensin (d) Relajacin (s)

Sistemas

ortogonales

Clivaje

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

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

251

Figura 18 ndice Geolgico de Resistencia (GSI) propuesto por Hoek (1995).

Indice de Resistencia Geolgica

CON

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s.

BLOCKY - FRAGMENTADO ENBLOQUE Bloquesaproximadamente cbicos, bienajustados y muy bien entrabados,formados por tres conjuntos dediaclasas.

VERY BLOCKY- MUYFRAGMENTADOS EN BLOQUEBloques algo desajustados peroaun bien entrabados, con variascaras angulares, formados porcuatro o ms conjuntos dediaclasas.

BLOCKY DISTURBED -FRAGMENTOS EN BLOQUEDESAJUSTADOS Bloquesangulares desajustados formadospor muchos conjuntos dediaclasas, a causa de plegamientoy/o fallamiento, con cizallamientomoderado.

DESINTEGRATED - DESAJUSTADO

Bloques sueltos con entrabamiento pobre, en un macizo muy fracturado y cizallado con una mezcla de fragmentos de roca angulares y redondeados.

Geological Streng Index (G.S.I)

DECR

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DECRECIMIENTO DE LA CALIDAD DE LA SUPERFICIE

ESTIMACIN DE LA RESISTENCIA DE UNA MASAROCOSA BASADA EN SUS CARACTERSTICAS.Con base en la apariencia de la roca, escoja la categoriaque mejor describe en su concepto las condicionespromedio del macizo. Note que las caras de maci

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CARACTERIZACI GLOBAL DE U MACIZO ROCOSO

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

a (1) donde 1 y 3 son los esfuerzos efectivos mximos en la falla, mb es el valor de la constante m de Hoek en la masa rocosa s y a son constantes que dependen de las caractersticas de la masa y CI es la mxima resistencia a la compresin del material rocoso GSI A continuacin se presenta una clasificacin de la masa rocosa que tiene el propsito de tener un conocimiento muy aproximado de las resistencia de las rocas (macizos de roca dura), propuesto por Hoek (1995) La resistencia de una masa diaclasada depende de las propiedades del material rocoso y de la libertad de estos fragmentos de roca a rotar o deslizar bajo diferentes condiciones de esfuerzos. La libertad est controlada por la forma geomtrica de los fragmentos de roca y por las condiciones de las superficies que separan los bloques. As por ejemplo fragmentos angulares de roca con superficies limpias y rugosas resisten ms al desplazamiento que aquellas que contienen fragmentos redondeados por accin de la meteorizacin con algn tipo de relleno. El ndice GSI de Hoek (1995) proporciona un sistema para estimar la reduccin en la resistencia de la masa para diferentes condiciones geolgicas. El sistema de evaluacin en el campo se muestra en la Tabla XIV Una vez se ha estimado el valor del GSI, se pueden calcular los parmetros que describen las caractersticas de resistencia de la masa rocosa, a partir de las siguientes expresiones: mb = mi exp (GSI 100/28) (5) mi se obtiene de la tabla 11.3 (pag 143 Rock Engineering Hoek 1998) GSI se obtiene de la tabla XIV Para GSI > 25, (un macizo de buena calidad) el criterio de Hoek se aplica con: s = exp (GSI 100/9) (3) y a= 0.5

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

CLASIFICACI Y CARACTERIZACI DE MACIZOS ROCOSO

Desde la aparicin de la clasificacin de rocas de Terzaghi (1946), propuesta para calcular cargas de roca sobre arcos metlicos de tneles, han aparecido numerosas clasificaciones semejantes. De las ltimas conocidas vale la pena destacar la del CSIR (consejo Surafricano para Investigacin Cientfica e Industrial), desarrollada por Bienawski y la del NGI (Instituto Geotcnico Noruego) propuesta por Barton, Lien y Lunde. sta ltima se basa en la siguiente expresin:

SRF

Jw

Ja

Jr

Jn

RQDQ =

(5) El primer trmino RQD/Jn representa el tamao de los bloques; el segundo, Jr/Ja, representa la resistencia al corte entre bloques, como una medida de la rugosidad y dems caractersticas friccionantes de las paredes de las diaclasas (en este caso el macizo mejora mientras mayor sea la rugosidad y menor su alteracin); el tercer factor, Jw/SRF, representa un factor de esfuerzos activos, el cual corresponde a un parmetro de fuerzas que depende de la presin del agua que tiene efecto negativo en la resistencia y de tres valores de esfuerzos: la carga que se disipa en una excavacin; el efecto de esfuerzos sobre rocas competentes y el efecto de esfuerzos sobre rocas plsticas incompetentes. En la Tabla 5 se presenta la manera como se evalan los macizos rocosos segn la propuesta NGI. Para tener una estimacin del RQD, se puede usar la siguiente expresin: JvRQD = 3.3115 (6) donde Jv corresponde a la cantidad de discontinuidad por metro cbico.

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Tabla 5 Clasificacin de macizos rocosos (GI)

Tabla 5 Clasificacin de macizos rocosos (GI)