CAPITULO II: CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES DEL ÍNDICE DE ROCAS

2.1. CLASIFICACIÓN GEOLÓGICA DE LAS ROCAS

Aunque no se han desarrollado para satisfacer las necesidades de los ingenieros civiles, los nombres

geológicos pueden adjuntar a los especímenes de roca en base a observaciones limitadas con una lupa de

mano o con el ojo solo, frecuentemente revelar algo acerca de propiedades de las rocas. Si no está

familiarizado con los nombres comunes de rocas y cómo asignarlos a una roca desconocida, una revisión

de la geología es altamente recomendada. Una buena manera de comenzar es estudiar el Apéndice 3, lo

que explica los regímenes simplificados para clasificar y nombrar las principales rocas y minerales.

Apéndice 3 también muestra los períodos de la historia de la tierra, cuyos nombres indican la edad de una

roca. La edad de una roca a menudo, pero no infaliblemente, se correlaciona con su dureza, resistencia,

durabilidad, y otras propiedades.

Desde un punto de vista genético, las rocas se dividen en tres grupos: ígneas, metamórficas y

sedimentarias. Sin embargo, estos nombres son los resultados, no el punto de partida de la clasificación.

Dado que estamos interesados en comportamiento en lugar de atributos genéticos de las rocas, tiene más

sentido dividir las rocas en las siguientes clases y subclases:

I. Textura Cristalina

A. Sales y carbonatos solubles. Caliza, dolomita, mármol, sal roca, yeso.

B. Mica u otros minerales planares en bandas continuas. Esquistos de mica, clorita, grafito.

C. Minerales silicatos en bandas sin hojas continuas de mica. Gneiss.

D. Minerales silicatos aleatoriamente orientados y distribuidos, de tamaño uniforme de grano.

Granito, diorita, gabro, sienita.

E. Minerales silicatos distribuidos aleatoriamente y orientados en una matriz de grano muy fino, con

presencia de vacíos. Basalto, rolita, otras rocas volcánicas.

F. Rocas sometidas a altos esfuerzos de corte. Serpentina, milonita.

II. Textura clástica

A. Cementando estable. Arenisca cementada con silicatos y areniscas limoniticas.

B. Con cementante ligeramente soluble. Arenisca cementada en calcita y conglomerado.

C. Con cementante altamente soluble. Areniscas cementadas en calcita y conglomerado.

D. Cementado incompleto o débil. Areniscas cementadas en yeso o conglomerados.

E. No cementado. Areniscas rodeadas de arcilla.

III. Rocas de grano muy fino

A. Rocas duras, isotropitas. Hornfels y algunos basaltos.

B. Rocas duras, anisotropicas a gran escala pero isotropitas microscópicamente. Pizarras.

C. Rocas duras, microscópicamente anisotropicas. Slate, Fillita.

D. Rocas blandas, similares al suelo. Pizarra compactada, tiza.

IV. ROCAS ORGANICAS

A. Carbón blando. Lignito y carbón bituminoso.

B. Carbon duro

C. “Pizarra petrolífera”

D. Pizarra bituminosa

E. Arena Tar

2.2. CARACTERÍSTICAS DE LAS CLASES DE ROCA

I. ROCA CRISTALINA

Las rocas cristalinas están conformadas por cristales interconectados de minerales silicatos o

carbonatos, sulfatos u otras sales.

Cuando no están meteorizadas son elásticas y duras con características de falla frágil a presiones en

el rango de las obras civiles.

Si los cristales están separados por fisuras, pueden deformarse no linealmente (plásticamente o

irreversiblemente). Este efecto es mayor en carbonatos, sal de roca, a presiones medianas de

confinamiento.

Las micas y otros minerales foliados reducen la resistencia de la roca debido al deslizamiento a

través de la superficie de clivaje. Las micas son altamente anisotropicas, con baja resistencia en la

dirección de la esquistosidad.

Las rocas volcánicas a pesar de sus vacíos se comportan similarmente al granito.

Las serpentinas tienen superficies de cortes ocultas y extensivas, por lo que sus propiedades son

altamente variables y pobres.

II. ROCAS CLASTICAS

Las rocas clásticas deben sus propiedades al cementante que une los fragmentos. Algunas rocas

fuertemente cementadas se comportan de una manera elástica. Otras se convierten en sedimento

apenas inmersas en agua. El término FRIABLE define la naturaleza incompleta del cementante.

III. ROCAS DE GRANO MUY FINO

Entre las rocas de grano muy fino, las pizarras (compuestas de limo y arcillas) varían ampliamente

en durabilidad, resistencia, deformabilidad y dureza. Pueden ser duras y fuertes, también

considerados como suelos duros. Pueden exhibir cambios de volumen al ser humedecidos o

secados variando notablemente sus propiedades. Por ejemplo la tiza es una roca de carbonatos ,

clástica y altamente porosa, elástica a bajas presiones, pero plástica a presiones moderadas.

IV. ROCAS ORGANICAS

Las rocas orgánicas incluyen aquellas de tipo viscoso, plástico y elástico. Ejemplo, el carbón duro y

las pizarras petrolíferas.

2.3. PROPIEDADES INDICE DE LAS ROCAS

Se propone una descripción cuantitativa de la roca en base a mediciones básicas:

Porosidad; identifica la proporción relativa de sólidos y vacíos.

Densidad; provee información sobre los componentes mineralógicos o granulométricos.

Velocidad del sonido; evalúa el grado de fisuramiento junto con la descripción petrográfica.

Permeabilidad; evalúa la interconexión relativa entre los poros.

Durabilidad; indica la tendencia a la ruptura eventual de los componentes o estructuras, degradando

la calidad de la roca.

Resistencia; determina la competencia de la fábrica de la roca para mantener unidos a los

componentes.

Estas propiedades no necesariamente reflejan el comportamiento de los especímenes bajo cambios de

temperatura, esfuerzos, presiones y tiempo. Tampoco reemplazan los ensayos que se realizan en otras

áreas.

Por otro lado, estos ensayos no caracterizan el macizo rocoso, donde en algunos casos el sistema de

discontinuidades tiene más importancia que la roca misma. Estos ensayos ayudan a definir si una roca

es fácilmente perforable, puede cortarse, utilizarse como agregado, enrocado, etc.

2.3.1 POROSIDAD

La porosidad de una roca, indicado por la cantidad adimensional n, es una fracción que expresa la

proporción de espacio vacío al espacio total en la roca.

n=V p

V tDonde: Vp = volumen de poros, Vt = volumen total

2.3.2 DENSIDAD

La densidad o "peso unitario" de una roca es su peso específico por ejemplo: libras por pie o

kilonewtons por metro cúbico. La gravedad específica de un sólido “G” es la relación entre su

densidad y el peso de la unidad de agua, este último es aproximadamente igual a 1 g-fuerza/cm3 (9,8

kN/m3 o aproximadamente 0,01 MN/m3). Roca con un peso específico de 2,6 tiene una densidad de

aproximadamente 26 kN/m3. En el sistema de Inglés, la densidad del agua es 62,4 libras por pie

cúbico.

γ=WV Unidades: lb/pie3 o KN/m3

G= γγw

Si los porcentajes de diferentes minerales se pueden estimar bajo un microscopio binocular, o de una

sección delgada, la gravedad específica de la parte sólida de una roca puede entonces ser calculado

como la media ponderada de los pesos específicos de los granos de componentes y cristales:

G=∑i=1

nGiV i

Donde Gi es la gravedad específica del componente i, y Vi es su porcentaje en volumen en la

parte sólida de la roca. En la tabla 2.2 se muestran las gravedades específicas de minerales

comunes.

La relación entre la porosidad y la densidad seca γ dry es:

γd = G.γw (1-n)

La densidad seca está relacionada con la densidad en húmedo por la relación

γ d=γhumedo1+w

Donde: w es el contenido de agua de la roca.

El contenido de agua y la porosidad están relacionados por:

Si los poros de la roca están llenos de mercurio, y el contenido de mercurio se determinó que whg

(como una proporción del peso seco de la roca antes de la inyección de mercurio), la porosidad puede

ser calculada con mayor precisión de la siguiente manera:

2.3.3 PERMEABILIDAD Y CONDUCTIVIDAD HIDRAULICA

- Implicancia en el bombeo de agua, petróleo o gas en un medio poroso, almacenamiento de fluidos

en cavernas para fines de generación de energía, predicción del flujo en un túnel, etc.

- Muchas veces el sistema de discontinuidades modificara radicalmente los valores de permeabilidad

de la roca en el campo comparado con el laboratorio, es preferible una prueba de bombeo.

- Proporciona información sobre el grado de interconexión entre los poros o fisuras.

- Cambio en K con el cambio en σ, de compresión a tensión, evalúa el grado de fisuramiento de la

roca (fracturas planas son muy sensibles a σ).

- La mayoría de las rocas obedecen la ley de Darcy. Para muchas aplicaciones en la práctica de la

ingeniería civil, que puede implicar agua a aproximadamente 20 ° C, que es común para escribir la ley

de Darcy en la forma:

qx=kdhdxA

qx = razón de flujo en la dirección x.

h = carga hidráulica (L)

A = Sección transversal normal a x (L2)

k = conductividad hidráulica (unidades de velocidad) cm/s, pie3/min.

- Cuando la temperatura varia de 20º C, o para otros fluidos, interviene la viscosidad:

qx=KμdpdxA

p = presión del fluido (γwh).

µ = viscosidad del líquido (FL-2T) el agua a 20º C tiene µ = 2.098 x 10-5 lb.s/ft2 = 1.005x10-3 N.s/m2

K = es independiente de las propiedades del fluido (L2) y se denomina PERMEABILIDAD

HIDRAULICA. Tiene unidades en Darcy (1 Darcy = 9.86 x 10-9 cm2) (1 Darcy = valor de

conductividad de 10-3 cm/s).

- La conductividad hidráulica (unidades de velocidad) a partir de una prueba de flujo radial puede ser

aproximada por:

k=q ln(R2/R1 )2πLΔh

q = tasa de volumen del flujo

L = Longitud del espécimen

R2 y R1 = radios del espécimen

Δh = carga hidráulica correspondiente a ΔP

2.3.4 RESISTENCIA

Se mide por el ensayo de carga puntual. La roca es cargada entre conos de acero endurecido,

causando la falla por el desarrollo de grietas de tensión paralelas al eje de carga.

Se utiliza el aparato de Broch and Franklin. La resistencia a la carga puntual es

I s=P

D2

P = carga en la falla

D = distancia entre los puntos de carga (diámetro).

Se requiere al menos que L = 1.4 D

El índice de carga puntual se reporta para testigos de 50 mm de diámetro. Una correlación entre el

índice de frecuencia citado punto de carga y resistencia a la compresión no confinada es:

qu=24 I s(50 )

Donde: qu es la resistencia a la compresión no confinada de cilindros con una relación de longitud a

diámetro de 2 a 1, y Is (5 0) es la resistencia de carga punto corregido para un diámetro de 50 mm.

Esta correlación no es buena para rocas débiles.

2.3.5 DURABILIDAD

La durabilidad de las rocas es de fundamental importancia para todas las aplicaciones. Los cambios

en las propiedades de las rocas son producidos por exfoliación, hidratación, decrepitación (apagado),

solución, la oxidación, a la abrasión, y otros procesos.

Una buena prueba del índice es por medio del ensayo de durabilidad propuesto por Franklin y

Chandra (1972), el cual consiste en un tambor de 140 mm de diámetro y 100 mm de largo con las

paredes de malla (aberturas de 2 mm.) 500 g de roca se rotan en 10 ciclos a 20 rpm en un baño de

agua, durante 10 minutos. El % de roca retenido en el tambor (peso seco) es reportado como el

índice de Durabilidad Id.

Gamble (1971) propuso otro ciclo de 10’

Id crece con γ y decrece con w.

En la tabla 2.6 se presenta una clasificación de la roca según su Id.

2.3.6 VELOCIDAD DEL SONIDO COMO UN GRADO DE FISURACION

Para una muestra de roca entre 2 cristales piezoeléctricos, se mide Vl velocidad longitudinal.

En la práctica, una red de fisuras en la muestra superpone un efecto dominante. Siendo este el caso,

la velocidad sónica puede servir para indexar el grado de fisuración dentro de muestras de roca.

Fourmaintraux (1976) propone el siguiente procedimiento. En primer lugar el cálculo de la velocidad

de la onda longitudinal (V, *) que la muestra tendría si carecía de poros o fisuras. Si se conoce la

composición mineral, Vi * puede calcularse a partir

Donde: Vl,i es la velocidad de la onda longitudinal en la constituyente mineral i, que tiene proporción

volumen Ci en la roca. La velocidad longitudinal en algunos minerales es dado en la siguiente tabla:

Conociendo la velocidad real de ondas en especímenes de roca (Laboratorio) podemos obtener el

índice de calidad.

IQ=V lV l

¿ x100%

Donde Vl * es la velocidad longitudinal de la roca.

También se relaciona IQ con la porosidad:

IQ = 100 – 1.6 np (%)

Donde np % para es la porosidad de la roca no fisurada en porcentaje.

Debido a esta extrema sensibilidad de IQ a la fisuración y sobre la base de mediciones de laboratorio

y observaciones microscópicas de fisuras, Fourmaintraux propuso trazado IQ frente porosidad (Figura

2.3) como una base para describir el grado de fisuración de una muestra de roca. Entrando en la

figura con la conocida porosidad y la calculada IQ define un punto en uno de los cinco campos: (I) no

fisurada a ligeramente fisurada, (II) ligeramente a moderadamente fisurada, (III) moderadamente a

fuertemente fisurada, (IV) fuertemente a muy fuertemente fisurada, y (V) muy fisurada.

2.4. CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS PARA PROPÓSITOS DE INGENIERÍA

El sistema de clasificación Geomecánica de Bieniawski proporciona una general clasificación del macizo

rocoso (RMR) aumentando la calidad de la roca de 0 a 100. Se basa en cinco parámetros universales: la

resistencia de la roca, perfore la calidad del núcleo, las condiciones de las aguas subterráneas, el espacio

articular y fractura, y las características comunes. Un parámetro sexto, la orientación de las articulaciones,

se introduce de forma diferente para aplicación específica en tun-neling, la minería y las fundaciones.

Incrementos de roca calificación masa correspondiente a cada parámetro se suman para determinar la

RMR.