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XII Congreso Nacional de Geotecnia CONGEO 2015

Caracterizacin geomecnica de las brechas de la Fm. Don, Siquirres, Costa Rica

Fabin A. Arqun Bolaos Costa Rica, farquin@ice.go.cr,

Instituto Costarricense de Electricidad

Danilo A. Jimnez Ugalde Costa Rica, djimenez@aluno.puc-rio.br,

Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro

Alexis Cerdas Salas Costa Rica, acerdas@ice.go.cr,

Instituto Costarricense de Electricidad

Jorge A. Salazar Chacn Costa Rica, jsalazarch@ice.go.cr,

Instituto Costarricense de Electricidad,

Carolina Gmez Mndez Costa Rica, cgomendez@gmail.com,

Ingeniera Consultora RESUMEN: Las brechas de la formacin Don estn constituidas por una mezcla de bloques inmersos en una matriz limo arenosa de origen volcnico. Este material fue encontrado durante la ejecucin de excavaciones de gran porte en la zona de Siquirres, Limn. Su caracterizacin fue realizada por medio de ensayos de campo y laboratorio, con los que se determinaron sus propiedades mecnicas a diferentes escalas. Mediante lo cual se concluy que los parmetros de resistencia al corte de las muestras a escala de laboratorio son mayores a los encontrados en el campo, en contraste con el mdulo de deformabilidad que en general presenta un valor ms alto en las pruebas in situ. Adicionalmente, se explor la aplicabilidad de diferentes metodologas empricas para obtener los parmetros de resistencia de las brechas y se comprob que el criterio de ruptura de Hoek y Brown (Hoek et al. 2002) es el que ajusta mejor los resultados. PALABRAS CLAVE: investigaciones de campo, investigaciones de laboratorio, caracterizacin de macizos rocosos, brechas, geomecnica, deformabilidad, resistencia al corte.

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ABSTRACT: The Don formation breccias are constituted by a mixture of blocks immersed in a sandy silt matrix of volcanic origin. This material was found during the execution of large-sized excavations in the area of Siquirres, Limn. The characterization was performed by means of field and laboratory tests with the aim of determine their mechanical properties at different scales. The main result concludes that the shear strength parameters of the laboratory scale samples are higher than those found in the field, contrasting with the deformation modulus that normally shows higher values in the field tests. Additionally, the applicability of different empirical methodologies were studied to obtain the strength parameters of the breccia and it was proved that the failure criterion of Hoek and Brown (Hoek et al. 2002) provide the best fit results. KEY WORDS: field tests, laboratory tests, characterization of rock masses, breccias, geomechanics, deformability, shear strength. INTRODUCCIN El macizo rocoso estudiado se encuentra ubicado en la zona Atlntica de Costa Rica, especficamente en el poblado de Siquirres, en las coordenadas CRTM 546750 N 1114150 E. En el sitio se desarrolla en la actualidad el mayor proyecto hidroelctrico construido hasta la fecha en Costa Rica, en el cual se han excavado cortes con alturas de hasta 130 m. Las brechas presentes en el rea de estudio estn compuestas por una mezcla de bloques de buena calidad inmersos en una matriz menos competente, cuya resistencia al corte y deformabilidad est gobernada principalmente por su proporcin volumtrica de bloques (Sonmez et al. 2009, Lindquist 1994). Otros parmetros importantes en el comportamiento mecnico de este tipo de macizos rocosos son: el tamao mximo de los bloques, la forma de los bloques y la resistencia de la matriz (Osada et al. 2005). Contexto geolgico La fase orognica registrada en Costa Rica, que se inici en el Negeno, estuvo caracterizada por un sistema tectnico y volcnico complejo, aunado a un levantamiento y destruccin rpida del arco magmtico. Este proceso produjo erosin e inestabilidad, generando lahares y avalanchas volcnicas, un tipo de sedimentacin molsica, paralela con una fuerte actividad de eventos de flujos piroclsticos y coladas de lava e intrusiones hipoabisales subordinadas. Los eventos volcanotectnicos contribuyeron con la edificacin de un puente terrestre y el cierre de las cuencas marinas someras (Alvarado y Prez 1999). Bajo ste escenario geolgico se depositan los materiales que dan origen a la formacin Don, la cual est compuesta en ms de un 80% por depsitos volcaniclsticos (piroclsticos y epiclsticos), as como coladas de lava y diques subordinados. Los depsitos piroclsticos y autoclsticos (brechas volcnicas y tobas),

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consisten en depsitos de flujos de bloques y cenizas ricos en lticos y cristales, avalanchas volcnicas e intercalaciones de ceniza. A esta formacin se le asigna una edad estimada del Plioceno (Alvarado y Prez 1999). La caracterizacin geomecnica fue desarrollada en los niveles intermedios e inferiores del depsito de avalancha de escombros volcnicos correlacionados con la formacin Don, los cuales por su gnesis de formacin son equiparables con un melange (restringido a un ambiente volcnico). Descripcin litolgica La brecha estudiada est conformada por bloques polimcticos en gran parte de origen gneo (lavas e intrusivos) con presencia ocasional de bloques sedimentarios (areniscas y lutitas). La esfericidad de los bloques es desde angular hasta subredondeada y su tamaos en general es centimtrico. La matriz se caracteriza por ser principalmente limo-arenosa de origen volcnico (tobcea) con presencia de fragmentos volcaniclsticos (lapilli) de hasta 4 mm, el grado de litificacin y la compactacin de la matriz son altos y no hay evidencia de soldamiento. Su coloracin vara desde tonos cafs hasta grises, influenciada principalmente por alteraciones qumicas tales como oxidacin y cloritizacin (Figura 1).

Figura 1. Aspecto de la brecha estudiada.

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MATERIALES Y MTODOS La caracterizacin geomecnica de las brechas se desarroll con base en los resultados de los ensayos de campo y laboratorio que se detallan a continuacin. Propiedades ndice La densidad de la roca fue estimada en el laboratorio siguiendo los lineamientos del mtodo sugerido por la ISRM (Franklin et al. 1979). El estudio de la densidad del material incluy un total de 107 ensayos, los resultados obtenidos muestran un comportamiento log-normal, con un promedio de 18,8 kN/m3 y valores extremos entre 15,2 kN/m3 y 26,9 kN/m3 (Figura 2a). La velocidad snica fue determinada siguiendo las recomendaciones del mtodo sugerido por la ISRM (Rummel y Van Heerden 1978). En total se ejecutaron un total de 38 ensayos. En general no se observ una tendencia clara de los datos obtenidos, los cuales variaron entre 1,75 km/s hasta 3 km/s, con un valor promedio de 2,5 km/s (Figura 2b).

Figura 2. a) Distribucin de valores de la densidad de la roca, b) Distribucin de valores de velocidad snica para la brecha.

La resistencia de los bloques fue estudiada mediante el ensayo de carga puntual. Estos ensayos se ejecutaron segn el mtodo sugerido por la ISRM (Franklin et al. 1985). Como resultado se obtuvo un valor promedio Is(50) de 1,96 MPa (aproximadamente 47 MPa) para los bloques ensayados. Resistencia Para determinar la resistencia a la compresin de la roca fueron realizados 107 ensayos de compresin uniaxial y 11 ensayos de compresin triaxial en el laboratorio, siguiendo los mtodos sugeridos por la ISRM (Bieniawski y Bernede 1979, Vogler y Kovari 1978). El resultado de los ensayos de resistencia a la compresin uniaxial (UCS) mostr una distribucin log-normal, con un valor promedio de 6,6 MPa,

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mnimo de 1,7 MPa y mximo de 17,2 MPa. (Figura 3a). Los ensayos de compresin triaxial fueron realizados bajo condiciones del esfuerzo principal menor entre 0,5 MPa y 10 MPa, de estos ensayos fue estimado un valor del parmetro mi = 6,6. Asimismo se logr establecer de la interpretacin de los ensayos de compresin triaxial, un valor de

UCS = 6,2 MPa, una cohesin c = 1,4 MPa, un ngulo de friccin = 37 grados y un

valor de resistencia a la tensin t = 0,9 MPa (Figura 3b).

Figura 3. a) Distribucin de valores de resistencia a la compresin uniaxial de la roca, b) Resultado de los ensayos triaxiales realizados en la brecha.

Adicionalmente en el laboratorio se realizaron un total de 18 ensayos de corte directo en bloques cuadrados de 20 cm de lado. En general los resultados de los ensayos mostraron una gran dispersin, con valores de cohesin entre 0,55 MPa y 1,1 MPa y ngulos de friccin interna en un rango de 34 a 51 grados. Fue ejecutado un ensayo de corte directo in situ en un bloque cuadrado de brecha de 50 cm de lado. El principal objetivo de este ensayo fue observar la influencia de los bloques en la resistencia al corte en un ensayo a una escala mayor que la del laboratorio (se midieron bloques en la superficie de falla de hasta 12 cm). Por lo complicado del montaje del ensayo de corte directo en campo este fue realizado en etapas mltiples, con el fin de obtener la envolvente de resistencia de un nico ensayo. La prueba de resistencia al corte directo in situ mostr una cohesin de 0,15 MPa y un ngulo de friccin interna de 33 grados (Figura 4).

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Figura 4. a) Superficie de falla posterior al ensayo de corte directo in situ, b) Resultado de la interpretacin del ensayo de corte directo in situ.

Deformabilidad De los ensayos de compresin uniaxial realizados en el laboratorio fue calculado el mdulo de deformabilidad tangente al 50% de la carga mxima. La distribucin de los datos de mdulo de deformabilidad es tipo log-normal, con un promedio de 1 GPa, un mnimo de 0,3 MPa y mximo de 4,5 GPa (Figura 5a). En campo fueron realizados un total de 21 ensayos de placa siguiendo la propuesta del mtodo sugerido por la ISRM (Unal, 1997). De la interpretacin de los resultados de los ensayos se obtuvo un mdulo de deformabilidad del macizo rocoso con un promedio de 2,0 GPa, un valor mnimo de 1,1 GPa y un valor mximo de 4,2 GPa (Figura 5b).

Figura 5. a) Distribucin de valores de los mdulos de deformabilidad obtenidos de los ensayos de compresin uniaxial (roca intacta), b) Distribucin de valores de los mdulos de deformabilidad obtenidos de los ensayos de placa (macizo rocoso).

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Proporcin volumtrica de bloques (PVB) La estimacin de la proporcin volumtrica de bloques fue calculada con base en la medida de la proporcin lineal de bloques realizada en muestras recuperadas en perforaciones a rotacin (Figura 6a). Como resultado se obtuvo una distribucin de datos uniforme para el PVB, que vara entre un mnimo de 16% hasta un mximo de 36%, con un promedio de 26% (Figura 6b). La PVB tambin fue estudiada en afloramientos utilizando la proporcin lineal de bloques. Como resultado se obtuvo una PVB promedio de 30%. El tamao de los bloques en afloramientos vara entre de 0,5 cm a 15 cm, con un promedio de 8 cm. Estos bloques aparecen predominantemente flotando en la matriz fina.

Figura 6. a) Ejemplo de ncleo de brecha, b) Distribucin de valores para la proporcin volumtrica de bloques a escala de ncleos de laboratorio.

Levantamiento de discontinuidades Se identificaron en campo 3 familias de discontinuidades en el macizo rocoso estudiado. Dos de las familias de discontinuidades presentan un perfil predominante ondulado rugoso, mientras que la tercera familia presenta un perfil ondulado desde rugoso hasta en ocasiones estriado. Todas las familias de discontinuidades presentan una persistencia mayor de 20 m, con un espaciamiento mayor de 6 m, aberturas tpicas entre 0,10 mm a 0,25 mm y en general el macizo rocoso se puede catalogar como seco.

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RESULTADOS Y DISCUSIN Los ensayos de laboratorio realizados se consideran representativos de la roca a pequea escala, lo que usualmente en mecnica de rocas se denomina la roca intacta. Los ensayos de corte directo y los ensayos de compresin triaxial en el rango de esfuerzos entre 0,25 MPa y 2,0 MPa mostraron en general resultados similares. Se obtuvo valores de cohesin en un rango de 0,55 MPa a 1,40 MPa y ngulos de friccin entre 34 y 51 grados. Mientras que el valor de la resistencia a la compresin uniaxial presenta un promedio de 6,6 MPa. A escala de laboratorio la roca presenta todas las condiciones para ser clasificada como un bimrock (mezcla de bloques inmersos en una matriz fina de menor resistencia), pues cumple con todos los requisitos expuestos por Medley (1994): i) existe contraste entre las propiedades mecnicas de la matriz y los bloques, ii) el tamao de los bloques es geotcnicamente significativo y iii) la proporcin volumtrica de bloques vara entre 25% y 75%. Estas mismas condiciones se cumplen tambin a la escala de macizo rocoso por lo que se puede utilizar el criterio de resistencia emprico propuesto por Kalender et al. (2014). Este criterio est basado en los resultados de los estudios de Somnez et al. (2009), Altinsoy (2006) y Lindquist (1994), y propone el uso de las siguientes ecuaciones para el clculo de los parmetros de resistencia de rocas tipo unwelded bimrock:

Donde A es un parmetro que es funcin del grado de angularidad de los bloques

(representado por , ngulo de reposo de los bloques) y del grado de adhesin entre los bloques y la matriz. El valor del parmetro A vara entre 0,1 y 500. Para realizar el clculo de los parmetros de resistencia utilizando la metodologa propuesta por Kalender et al. (2014) se utilizaron las siguientes premisas: i) el UCSmatriz corresponde al calculado de los ensayos de laboratorio, con un valor promedio de

6,6 MPa, ii) se utiliz un valor de = 35 (correspondiente con bloques subangulares a subredondeados), iii) se utiliz un valor de A = 80, iv) se utilizaron valores tpicos para

matrix entre 25 y 30 y v) se parametriz el valor de la proporcin volumtrica de bloques en valores entre 20% y 40%.

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Tambin se utiliz el criterio de ruptura de Hoek y Brown (Hoek et al. 2002) para determinar el valor de los parmetros de resistencia del macizo rocoso, para esto se utilizaron los resultados de las pruebas de compresin triaxial para estimar el parmetro mi (6,6), la resistencia a la compresin uniaxial (6,6 MPa) y en observaciones de campo se estim un rango de variacin del GSI entre 55 y 65. Finalmente se realiz la clasificacin geomecnica del macizo rocoso por medio del sistema RMR (Biewniaski 1989), dando como resultado que el macizo rocoso estudiado posee una calidad media a buena (clase III clase II). Con la valoracin de la calidad segn el RMR fueron estimados tambin los parmetros de resistencia al corte del macizo rocoso. El ensayo de resistencia al corte in situ fue considerado el ms representativo para estimar los parmetros de resistencia al corte del macizo rocoso. De modo que, al analizar los resultados obtenidos mediante cada una de las metodologas utilizadas para estimar los parmetros de la brecha estudiada (Tabla 1) se observa como las recomendaciones del sistema de clasificacin RMR (Bieniawski 1989) brindan valores de cohesin que pueden considerarse un poco altos en contraste con el valor estimado del ensayo de campo para el rango de esfuerzos analizado (entre 0,5 MPa y 2,0 MPa), sin embargo aceptables para utilizarse como una primera aproximacin en las etapas preliminares de un proyecto. En contraste, la metodologa propuesta por Hoek et al. (2002) brinda valores en general ms cercanos a los estimados para el macizo rocoso con base en el ensayo en campo. Por otra parte, el resultado de los parmetros de resistencia para la brecha obtenidos utilizando la metodologa propuesta por Kalender et al. (2014) sobreestima por mucho el valor de la cohesin cuando se compara con los dems mtodos de para estimar las propiedades de resistencia.

Tabla 1. Resultado de los parmetros de resistencia al corte del macizo rocoso. Fuente c (MPa) (grados)

Corte directo en campo 0,15 33

Bieniawski (1989) 0,20-0,30 25-35

Hoek et al. (2002) 0,16-0,30 29-37

Kalender et al. (2014) 1,79-2,05 25-32

La deformabilidad del macizo rocoso fue estimada con base en los ensayos de placa realizados. Se determin que en general el valor del mdulo de deformabilidad del macizo rocoso es mayor que el mdulo de deformabilidad estimado para ncleos de roca ensayados en el laboratorio. Por esto las formulaciones para la estimacin del mdulo de deformabilidad del macizo rocoso que usualmente se utilizan, como por ejemplo la propuesta por Serafim y Pereira (1983) o Hoek y Diederichs (2006) no son aplicables, pues indican que el mdulo de deformabilidad para el macizo rocoso debe ser una fraccin del mdulo de deformabilidad de la roca intacta. Esta diferencia en el valor de la deformabilidad se puede atribuir al tipo de macizo rocoso analizado, compuesto por una mezcla de bloques inmersos en una matriz

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menos competente. En general, para el caso analizado se observa una buena correlacin ponderando el valor del mdulo de deformabilidad de la matriz (del orden de 1 GPa) con el mdulo de deformabilidad de los bloques (6 GPa), el cual se resume en la siguiente ecuacin (Jimnez et al. 2014):

Otra correlacin que muestra buenos resultados es la desarrollada por Cerdas et al. (2009), quienes utilizando los resultados de ensayos de placa en litologas similares proponen la siguiente relacin:

Con los mdulos de deformabilidad expresados en MPa. Esta relacin fue desarrollada para macizos con porcentajes de bloques similares a los estudiados en esta investigacin, por lo que no se recomienda su uso para macizos rocosos con porcentajes de bloque inferiores al 25% o superiores al 40%. AGRADECIMIENTOS Este artculo ha sido escrito como parte de las actividades desarrolladas por el Comit Tcnico de Mecnica de Rocas (CTMR) de la Asociacin Costarricense de Geotecnia (ACG). REFERENCIAS BIBLIOGRFIACAS Altinsoy, H. (2006). A physical based model investigation for determination of shear strength of block in matrix rocks. (MSc thesis) Hacettepe University, Geological Engineering Department, Ankara 91p. En: Kalender, A., Sonmez, H., Medley, E., Tunusluoglu, C., Kasapoglu, K.E. (2014). An approach to predicting the overall strengths of unwelded bimrocks and bimsoils. Engineering Geology 183(2014):65-79. Alvarado, G.E., Prez, W. (1999). The Don Formation (Plioceno) of Costa Rica: an overview on its description, origin, lateral equivalents, and further implications on the closing of the Central America seaway. Sixth international congress on Pacific Neogene

stratigraphy and IGCP-355. San Jos: 150.-167. Bieniawski, Z.T. (1989). Engineering rock mass classifications. 1st ed. John Willy and Sons. USA.

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Bieniawski, Z.T., Bernede, M.J. (1979). Suggested methods for determining the uniaxial compressive strength and deformability of rock materials, for ISRM Commission on Standardization of Laboratory and Field Tests. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 16 (2). Cerdas, A., Jimnez, D., de los Ros, M., Loaiza, E. (2009). Caracterizacin geomecnica de conglomerados, brechas, y lahares del Plio-Pleistoceno de las Cuencas Pacfico y Limn Sur, Costa Rica. X Congreso de Geotecnia, San Jos, Costa Rica, AGEO, Agosto. 2009. Franklin, J.A., Vogler, U.W., Szlavin, J, Edmond, J.M., Bieniawski, Z.T. (1979). Suggested methods for determining water content, porosity, density, absorption and related properties and swelling and slake durability index properties for ISRM Commission on Standardization of Laboratory and Field Tests. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 16:141-156. Franklin, J.A., Pells, P., McLachlin, D., Brook, N., Robins, P.J., Greminger, M., Kutter, H., Broch, E., Heerden, W.L., Vogler, U.W. and Wijk, G. (1985). Suggested methods for determining point load strength for ISRM Commission on Testing Methods. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 22(2):51-60. Hoek, E., Carranza-Torres, C.T., Corkum, B. (2002). Hoek-Brown failure criterion-2002 edition. En: Proceedings of the 5th North American Rock Mechanics Symp., Toronto, Canada, 2002. 1: 267273. Jimnez, D.A., Gmez, C., Arqun, F., Salazar, J., Cerdas, A. (2014). Geomechanical Characterization for the Don Formation Breccias, Siquirres, Costa Rica. Proc. SBMR 2014 ISRM Specialized Conference 09-13 September 2014, Goiania, Brazil. Hoek, E., Diedirichs, M.S. (2006). Empirical estimation of rock mass modulus. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 43:203-215. Kalender, A., Sonmez, H., Medley, E., Tunusluoglu, C., Kasapoglu, K.E. (2014). An approach to predicting the overall strengths of unwelded bimrocks and bimsoils. Engineering Geology 183(2014):65-79. Lindquist, E.S. (1994). The strength and deformation properties of mlange. (Ph.D. Thesis) University of California, Berkeley, USA. Medley, E.W. (1994). The engineering characterization of melanges and similar block-in-matrix rocks (bimrocks), Ph.D. dissertation; Dept. of Civil Engineering, University of California at Berkeley, California; 387 p. Osada, M., Funato, A., Yoshinaka, R., Ito, H., Kitagawa, T., Sasaki, K., Aoki, K., Aydan, O., Akutagawa, S., Kiya, H., Kuwahara, K., Seto, M., Tanaka, S., Tani, K., Mimuro, T., Mori, T. (2005). Geotechnical description and JGS engineering classification system for

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rock mass. Int. J. of the JCRM. Japanese Committee for Rock Mechanics. Vol. 1, No. 1, Oct. 2005, pp.7-17.

Rummel, F., Van Heerden W.L. (1978). Suggested methods for determining sound velocity, for ISRM Commission on Standardization of Laboratory and Field Tests, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 15: 53-58. Serafim, J.L., Pereira, J.P. (1983). Considerations of the Geomechanics Classification of Bieniawski. Proc. Int. Symp. Eng. Geol. Underground Constr., A.A. Balkema, Roderdam, vol I. pp. II.33-II.42. Sonmez, H., Kasapoglu, K.E., Coskun, A., Tunusluoglu, C., Medley, E.W., Zimmerman, R.W. (2009). A conceptual empirical approach for the overall strength of unwelded bimrocks. ISRM Regional Symp. Rock Eng. In Difficult Ground Conditions, Soft Rock and Karst Dubrovnik, Croatia, 29-31 Oct. 2009. Unal, E. (1997). Determination of the in situ Deformation Modulus: New approaches for plate-loading tests. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 34(6):897-915. Vogler, U.W., Kovari, K. (1978). Suggested methods for determining the strength of rock materials in triaxial compression, for ISRM Commission on Standardization of Laboratory and Field Tests. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 15:47-51.