MACIZO ROCOSO

Cabo de la Vela. Guajira Colombia.

Las rocas pueden ser duras o blandas y las fallas de los macizos se pueden presentar por zonas de debilidad o de discontinuidad estructural. Las rocas blandas fallan a travs del cuerpo de la masa rocosa y tambin a travs de sus defectos estructurales.

Tnel en un macizo afectado por una intrusin. Originalmente el macizo era sedimentario y ahora posee aureola de metamorfismo. (T tnel, F falla, I roca gnea, M roca metamrfica y S roca sedimentaria).

En la figura anterior las capas sedimentarias estn levantadas hacia la intrusin gnea. El metamorfismo se da sobre las rocas sedimentarias por efectos del magma ascendente. El contacto entre las rocas metamrficas y la intrusin est fallado.

Existe una falla tectnica, adems. Un tnel atravesando este macizo encontrar comportamientos diferentes en las rocas: habr comportamiento plstico en las metamrficas y elstico en las dos zonas de falla; sern rocas duras las gneas y metamrficas y blandas las sedimentarias, habr discontinuidades de retraccin en las gneas y de estratificacin en las sedimentarias entre estas, los comportamientos varan sustancialmente.

1. CALIDAD DEL MACIZOSe considera que un suelo o roca es blando o duro, segn su resistencia a la compresin est en los siguientes rangos:

Suelo blando menos de 4 Kg/cm2Suelo duro entre 4 - 10 Kg/cm2Roca blanda de 10 a 375 Kg/cm2Roca intermedia de 375 a 700 Kg/cm2Roca dura ms de 700 Kg/cm2El concreto corriente es de slo 210 Kg/cm2,

Las rocas blandas son aquellas que pueden fallar a travs de material intacto a los niveles de esfuerzos existentes que se pueden dar en el rea de influencia de una excavacin, sin que tenga sentido un valor numrico para definir la resistencia de dichas rocas, mximo an si se tiene en cuenta que los macizos de roca ms dura pueden fallar y fallan en las excavaciones ms profundas. El comportamiento de una galera puede ser dctil, adecuado o frgil, como se muestra en la fig. , cuando se consideran profundidades delorden de 100, 200 y 300 metros respectivamente.

Profundidad de una galera. A. Comportamientofrgil, B. comportamiento adecuado, y C. comportamiento dctil. Segn Alvaro Correa A, curso de mecnica de rocas U. Nal.

En A hay relajamiento de esfuerzos y el bloque superior puede caer. En B el confinamiento es suficiente y la regin es ptima. En C se corre peligro de implosin cuando se cierre el tnel si la roca fluye por plasticidad.

Si la densidad de la roca es 2,5 ton/m3, la carga de roca a 300 metros de profundidad (Pz = g H) ser 75 Kg/cm2 y a 600 metros 150 Kg/cm2.

Experimentalmente se sabe que para las excavaciones el factor de seguridad es del orden de 5. Esto es, la presin litosttica Pz dividida por el esfuerzo de ruptura sc debe ser superior a 0,2, inverso de 5 y lmite por debajo del cual las rocas supuestamente fallaran. En los casos anteriores Pz / 0,2 > sc, da los siguientes valores.

Para H = 300 m de la relacin anterior 75 / 0,2 > 375 Kg/cm2Para H = 600 m de la relacin anterior 150 / 0,2 > 750 Kg/cm2

Algunos autores consideran el lmite entre roca blanda o dura la resistencia inconfinada de 375 Kg/cm2, e incluso 750 Kg/cm2 o ms, si los esfuerzos horizontales son mayores quelos verticales aunque las profundidades sean menores que las indicadas. Para los casos anteriores, taludes en rocas de esta resistencia, con alturas de 500 metros podran presentar falla parcial a travs de la masa de la roca intacta. En proyectos de ingeniera profundos los macizos con esta resistencia pueden fallar a travs del material intacto bajo ciertas consideraciones extremas de profundidad al comportarse de manera dctil como se ilustr con el ejemplo del tnel.

1.1 PROPIEDADES DE LAS ROCAS. Las rocas gneas. Son muy resistentes, isotrpicas, rgidas, frgiles, densas y de textura entrabada. Su inconveniente se da por presencia de materiales alterables ydiaclasamiento.

Las rocas gneas plutnicas. Tienen minerales resistentes, entrabados, se da fallamiento en escalonado de minerales porque son diferentes.

Clasificacin ingenieril de roca intacta segn Deere.

E. Resistencia muy bajaD. resistencia bajaC. resistencia mediaB. resistencia altaA. resistencia muy alta. 1. Roca arcillosa2. Areniscas3. Esquistos de foliacin fina4. Granitos5. Calizas6. Cuarcitas7. Gneises8. Esquistos de foliacin gruesa.M. 375 Kg/cm2N.700 Kg/cm2. G. de Macizos de Roca Blanda

Las rocas gneas volcnicas. Muestran heterogeneidad de minerales; hay falla en poros que afectan la roca, la porosidad le da plasticidad a la masa que si es de rocas masivas resulta poco porosa.

Las rocas sedimentarias. Tienen resistencia media a baja son ortotrpicas, poco rgidas, dctiles, porosas y presentan textura cementada-laminada. Su inconveniente es la ortotropa que hace difciles los clculos de estabilidad y comportamiento del macizo.

En las rocas sedimentarias la resistencia depende del grado de cementacin y de su densidad. Ella aumenta cuando los granos son finos; si hay disolucin en la masa hay porosidad. Los planos de estratificacin son zonas de debilidad.

Las rocas metamrficas. Se caracterizan por una resistencia medio alta, su ortotropa, tenacidad, textura entrabada y baja porosidad. Hay rigidez en el sentido paralelo y plasticidad en el perpendicular, con relacin a los planos de clivaje. Su ortotropa dificulta los clculos.

Las rocas metamrficas resultan elsticas por la cristalizacin de la masa. Son densas por el empaquetamiento. Si hay minerales laminados hay debilidad. Si hay esquistocidad hay zonas de debilidad. Los gneises son como los granitos aunque el bandeamiento les da debilidad.

1.2 MACIZOS EN ROCA BLANDA. Los macizos de roca blanda estn constituidos por materiales generalmente sedimentarios de grano fino, como arcillolitas, lodolitas, limolitas, tobas y margas, y tambin areniscas o conglomerados, pobremente cementadas, o por rocas metamrficas con orientacin esquistosa desfavorable (filitas, esquistos), cuyo comportamiento geomecnico est controlado por la roca intacta y tambin por fracturas, diaclasas y fallas.

Fallas de un talud de roca: A. Falla circular. B. Falla planar, C. Falla en cua, D. Falla por volcamiento, E. Fallas por flexin y Falla por pateo. Segn Hoek and Bray, Rock Slope Engineering.

Los macizos de roca meteorizada tambin pueden ser considerados como masa de roca blanda cuyas discontinuidades son rellenos de materiales tipo suelo; dichos macizos a menudo muestran una transicin hacia suelos residuales donde los saprolitos tienen estructuras relictas, heredadas de la roca sana, las que sirven de zona de falla.

1.3 CARACTERIZACIN DEL MACIZO ROCOSO. Esta es una tarea de observacin, mediciones y ensayos para obtener parmetros cuantitativos tiles al diseo ingenieril. Este proceso adems se desarrolla a lo largo de todas las etapas del desarrollo del proyecto, desde el diseo hasta su construccin y operacin. Segn la fase de diseo se requiere establecer un nivel mnimo de caracterizacin. El primero es con base en observaciones geolgicas, el segundo nivel exige prospecciones geofsicas y el nivel final perforaciones exploratorias, medidas y ensayos geotcnicos.

Los parmetros geotcnicos fundamentales son la resistencia al corte, la deformabilidad, la permeabilidad y el estado original de esfuerzos, tanto para macizos en rocas duras como en rocas blandas. En las segundas la durabilidad de las rocas y su potencial de expansin y fluencia deben ser propiedades de primer orden.

En el caso de cimentaciones los principales problemas para una estructura en roca blanda son asentamientos diferenciales, rebote, falla a lo largo del contacto estructura-roca, las altas presiones de poros, las fugas excesivas y rara vez la falla por capacidad portante del macizo.

En los taludes la altura condiciona el tipo de caracterizacin geotcnica, como tambin lo hace la resistencia de la roca intacta y la geometra de las discontinuidades. Si es relevante la resistencia al corte, la deformabilidad puede tener inters por la induccin de fracturas de tensin en la corona, donde el agua introducida genera situaciones de inestabilidad que no existan.

Las obras ms difciles de caracterizar y modelar, son las excavaciones subterrneas. A diferencia de una estructura de concreto, el escenario estructural es aleatorio e incierto yqueda escondido bajo una cubierta de suelo y material rocoso. Entre los problemas a resolver en el diseo de tneles, que han de conducir agua a presin estn el de la estabilidad de las paredes sin agua y con ella, el grosor del refuerzo, la permeabilidad del macizo y la estabilidad de las laderas exteriores vecinas en caso de presiones hidrostticas inducidas y de fuga de agua hacia los taludes y laderas.

La caracterizacin apropiada de los macizos rocosos, adems de ser la base para el diseo de las obras, contribuye a la optimizacin del mtodo constructivo, da va al mejoramiento del macizo (anclajes, inyecciones, drenaje) y permite la programacin de observaciones durante el funcionamiento de las obras.

2. DISCONTINUIDADES EN MACIZOS ROCOSOSLas discontinuidades estn presentes en la roca y afectan la resistencia, permeabilidad y durabilidad de la masa. Es importante evaluar la geometra, naturaleza, estado y condicin de las discontinuidades, porque ellas definen la fbrica estructural del macizo rocoso. Adems de su gnesis, la influencia en el comportamiento del macizo, exige evaluar la gnesis de los rellenos, la cantidad de agua, las cicatrices y revestimientos en las paredes por materiales solubles, la abertura, rugosidad y persistencia de las discontinuidades, y el nmero de familias.

Las discontinuidades pueden ser:

TIPOS PRINCIPALES DE DISCONTINUIDADES EN MACIZOS ROCOSOS

ORIGENROCACLASEMECANISMO

GenticoIgneasEstructura de flujoContactos entre coladas de lavassucesivas.

Estructura deretraccinGrietas de retraccin por enfriamiento.

MetamrFoliacinPor gradientes trmicos, de presin yanatexia.

SedimentoEstratificacionContactos entre eventos de deposicin.

Fsico -QumicoTodasTermofracturasCiclos de calentamiento - enfriamientoo humedecimiento - secado.

HalifracturasExpansin de sales y arcillas enfracturas.

GelifracturasCiclos de congelamiento y fusin deagua.

GravedadTodasRelajacinPerdida de presin de sepultura yesfuerzo de traccin.

CorteConcentracin de esfuerzos horizontalesen valles.

ORIGENROCACLASEMECANISMO

TectnicoTodasEstructuras deplacaBordes constructivos, pasivos ydestructivos.

FallasRupturas con desplazamientos poresfuerzos de compresin, traccin y corte.

DiaclasasRupturas por esfuerzos tectnicos, perosin desplazamiento de bloques.

Fracturas deplieguesRadiales en la zona de traccin y de corteen la parte interna de la charnela.

BiolgicoTodasAccin de las racesPenetracin y crecimiento de las racesde los rboles.

Genticas o primarias. Son discontinuidades asociadas a estructuras de flujo y a fenmenos de retraccin trmica en las rocas gneas, a la foliacin en algunas rocas metamrficas y a la estratificacin en las sedimentarias. Son contemporneas con la formacin de la roca.

Termoqumicas. Estas discontinuidades, de carcter secundario, pueden ocurrir despus de formada la roca por causa del medio externo, como la termofracturacin por gradiente trmico, gelifracturacin por agua-hielo, halifracturacin por sales y argilofracturacin por arcillas.

Gravitacionales y tectnicas. Son discontinuidades secundarias asociadas a esfuerzos gravitatorios como grietas de traccin, o a esfuerzos tectnicos donde se incluyen diaclasas, fallas y estructuras de placas tectnicas.

2.1 SISTEMAS DE DIACLASAS.Los mtodos para recolectar informacin de discontinuidades son inexactos y entre ellosla brjula y la construccin del plano o el mapa y la topografa son los ms generalizados. La descripcin de las perforaciones es til cuando hay control de verticalidad y orientacin, acompaados de una buena descripcin de muestras.

Una familia de diaclasas es un grupo de diaclasas con igual orientacin y varias familias presentes en un macizo, intersecndose, se denominan sistema de diaclasas del macizo.

Estratificacin y esquistosidad en el caso de un tnel.A. Discontinuidades horizontalesB. Discontinuidades verticalesC. Discontinuidades oblicuas.

Las diaclasas pueden ser abiertas o cerradas y estar cementadas o no. Tambin pueden ser paralelas a los planos de estratificacin (rocas sedimentarias) o de clivaje (rocas metamrficas).

Por regla general un macizo tiene tres familias de fracturas o diaclasas asociadas a esfuerzos y cuando hay ms de tres es porque existe superposicin de esfuerzos.

2.2 PARMETROS DE LAS DISCONTINUIDADES.Los parmetros de descripcin de las discontinuidades son diez. Orientacin. Es la posicin espacial y se da con el rumbo y buzamiento de la superficie de discontinuidad. Es importante ver la actitud de los bloques y fracturas para efectos de estabilidad.

Espaciamiento. Es la distancia perpendicular entre dos discontinuidades de una misma familia. Debe advertirse que el espaciamiento aparente, el que muestra en superficie la roca, por regla general es mayor que el real. Se utiliza el promedio.

Persistencia. Es la longitud de la traza de una discontinuidad en un afloramiento (se trabaja estadsticamente y con criterios probabilsticos como el espaciamiento). Cuando hay persistencia se garantiza el flujo de agua a travs de la masa.

Rugosidad. Se alude a la rugosidad de la superficie y a la ondulacin de la discontinuidad, pues ambos afectan la resistencia del macizo rocoso. Una alta rugosidad aumenta la resistencia a la friccin.

Resistencia de las paredes de la discontinuidad. Generalmente es la resistencia a la compresin inconfinada, pues es una buena medida de la alteracin de las paredes de la discontinuidad. La resistencia aumenta con la presencia de dientes de roca en la discontinuidad.

Abertura. Es la distancia perpendicular entre las paredes de las distancias de las diaclasas cuando estas no tienen relleno (slo agua o aire). Hay diaclasas cerradas.

Relleno. Alude al material entre las paredes de la discontinuidad, casi siempre ms blando que el macizo rocoso. Un parmetro en el material de relleno es su grado de cementacin.

Flujo. Agua presente en la discontinuidad que se encuentra libre o en movimiento. Se describe por el caudal y debe evaluarse si el agua brota o no con presin.

Nmero de familias presentes. Es indicativo del grado de fracturamiento del macizo y depende de la direccin y tipo de esfuerzos. El menor nmero de familias en un macizo es tres; tambin las familias presentan caractersticas distintivas, no solamente en direccin y espaciamiento sino tambin en condiciones de relleno, caudal e incluso edad y tipo de esfuerzos que la origina.

Tamao de bloques. El que se cuantifica con algunas metodologas especficas. Deben identificarse adems los bloques crticos: aquellos que tienen tamaos finitos y posibilidad de desprenderse.

Volcamiento y deslizamiento de bloques. En el macizo:(a) bloques sin volcamiento ni deslizamiento; (d) con volcamiento y sin deslizamiento; (b) con deslizamiento y sin volcamiento; (c) con deslizamiento y volcamiento. En el baco se presentan las situaciones anteriores para un bloque sin empuje, en funcin de la inclinacin del piso, de la relacin base - altura de los bloques y de la friccin en el piso. Adaptado de E. Hoek and J. Bray, Rock Slope Engineering.