GEOTECNIA I

Cuadernos Didcticos de Geotecnia

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Laboratorio Area Geotecnia - www.geocities.com/geotecnia_lab

Facultad de Ciencias Exactas, Fsicas y Naturales

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA

Abril, E.G., 2010. Macizos rocosos. Ctedra de Geotecnia I, Cuadernos Didcticos de Geotecnia.Laboratorio Area Geotecnia (GeoLab), Facultad de Ciencias Exactas, Fsicas y Naturales. UniversidadNacional de Crdoba. Crdoba, Argentina Serie I - No3

MACIZOS ROCOSOS

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Introduccin

El estudio de los macizos rocosos fue muy importante durante la poca deejecucin de los importantes tneles construidos en Europa y en los EE.UU.Tal fue la necesidad de los estudios que merecieron estas obras queterminaron dando origen a mtodos de clasificacin de los macizos rocososque se emplean ahora para cualquier tipo de intervencin ingenieril sobremacizos rocosos.

Los ingenieros necesitan de algn modo llevar la realidad de la naturaleza amagnitudes, para entonces proceder a relacionar tales magnitudes y realizaroperaciones con ellas, con la finalidad de llegar a calcular y dimensionar laspartes de las obras de ingeniera.

De tal modo, debe procurarse una tipificacin numrica, y por lo tantoobjetiva de los macizos rocosos.Para ello, primeramente se debieron considerar las variables que intervienen

en definir sus cualidades de resistencia del macizo,

que son las

caractersticas que interesan en ingeniera.En segunda instancia, debi asignrsele a tales variables un grado deincidencia en la calidad del macizo, dejando ver de qu dependenprincipalmente sus caractersticas geotcnicas.Luego se establecieron las relaciones entre las variables de importancia,generndose frmulas matemticas.La etapa final fue asignarle a esas variables un nmero, una magnitud, paraentonces poder entrar a la frmula y resolver la ecuacin.

Como en la naturaleza los parmetros de variabilidad son muy amplios, serecurre a asignar una magnitud a un intervalo de variabilidad.de exactitud en la medicin. As, la caracterizacin geomecnica del macizorocoso pasa a ser suficientemente objetiva y considerada matemticamente.

La valoracin de la resistencia del macizo pasa por

tres factores

fundamentales a considerar: la constitucin del macizo (las rocas que lo

1

Para la edicin de este trabajo se cont con la inestimable colaboracin del alumno Diego Morillo (2007 / 2. semestre),

a quien agradecemos muy especialmente su participacin.

forman: la litologa), la disposicin y relacin espacial de las partesconstitutivas del macizo rocoso (la estructura primaria o estratificacin y laestructura secundaria, dada por las discontinuidades), y el estado deconservacin en el que se encuentra (su condicin de frescura o alteracin).

El ingeniero debe saber observar crticamente el macizo rocoso en sucontexto y extraer datos (informacin de campo) para luego asentarcorrectamente los datos en tablas confeccionadas con la finalidad de disponerde un lenguaje de entendimiento en esta temtica.

Las citadas tablas han sido confeccionadas a partir de una prolongadaexperiencia directa en la construccin de tneles, durante ms de cien aos,acompaando la extensin del ferrocarril, durante la construccin de lainfraestructura ferroviaria de Europa.

Presentacin

(Las que siguen a continuacin son las palabras de Z.T. Bieniawski, con motivo de la presentacin de unsoftware espaol para el clculo de los parmetros propuestos por su mtodo)

Los gelogos e ingenieros espaoles han hecho importantes contribucionespara una mejor comprensin y utilizacin de la clasificacin geomecnica delRMR (Rock Mass Rating). No obstante, hay que hacer hincapi en que el RMR

o cualquier otra clasificacin geomecnica no deben

sustituir a los

procedimientos de ingeniera de diseo.

Las clasificaciones geomecnicas se deben utilizar en combinacin coninstrumentacin en macizos rocosos, adems de llevar a cabo estudiosanalticos para formular un diseo racional de conjunto, compatible con losobjetivos de diseo y con la geologa local.

La finalidad de definir un valor del RMR en un macizo rocoso, es cuantificarsu calidad, estimar sus propiedades desde el punto de vista de la ingeniera,proporcionar las bases de referencia para las condiciones previstas del tnely recomendar procedimientos adecuados de refuerzo del tnel.

A este respecto, el sistema RMR es ms efectivo con fines de planificacinpreliminar y tambin durante la etapa de construccin real del tnel. Algunosprogramas para ordenadores determinan los valores del RMR y de esta formareducen la ambigedad que tienen los procedimientos de clasificacindescriptivos, no cuantitativos.

Los valores especficos del RMR obtenidos de esta forma pueden utilizarseadecuadamente para estimar los parmetros de deformacin y resistencia deun macizo rocoso. Adems, estos programas obligan a que el usuario tengaen cuenta los parmetros geolgicos ms importantes para a continuacincombinarlos en un ndice de ingeniera en conjunto de la calidad del macizorocoso, para su uso en diseo de tneles y construccin.

Pero, como ocurre con cualquier programa de ordenador, hay dos puntosimportantes:

1. La fiabilidad de los datos de entrada

2. La claridad de ideas de qu y cmo se va a calcular, de forma que se tengan encuenta de forma adecuada todos los supuestos y procedimientos.

Finalmente, siempre es una buena prctica ingenieril comprobar losresultados con otro procedimiento; en consecuencia, no slo se debe utilizarel sistema de clasificacin RMR, sino tambin conjuntamente con el sistemaQ as como con los mtodos de construccin de tneles NATM o TBM.3

Objetivo del Trabajo Prctico

El objetivo de este Trabajo Prctico es destacar las variables que inciden enla calidad geotcnica de un macizo rocoso y formar criterio acerca de suincidencia en la resistencia del mismo, proporcionando conocimientos parapoder efectuar una descripcin y valoracin tcnica de macizos rocosos encampaa.

Se busca asimismo capacitar en la prctica de la caracterizacin de macizos apartir de las caractersticas especficas del mismo. Este entrenamiento seefecta a partir de una serie de ejercicios especficos.

El desarrollo del TP permitir tambin que el alumno tome idea de unpanorama general acerca del estado del arte en este tema.

Aspectos a considerar en la caracterizacin de un macizo

- El tipo de roca que compone el macizo rocoso

Este punto se refiere a la variedad de rocas que pueden constituir un macizorocoso. Puede tratarse de un macizo rocoso de constitucin simple ocompleja, de constitucin homognea o compuesto, y esto en las diferentesescalas posibles en la clasificacin gentica de las rocas.

FSMtIG

FallaRoca sedimentariaRoca metamrficaRoca gnea

Los diferentes tipos rocosos ya significan una determinada resistencia. As,en primera instancia, los granitos son rocas resistentes, ms an cuanto msfino y bien proporcionado sea el contenido de sus minerales bsicos. Las

metamorfitas tambin son resistentes, aunque presentan

caracteres

estructurales que a veces las hacen anistropas (la foliacin, la esquistosidado el bandeado, por ejemplo).

Finalmente, las rocas sedimentarias tienen la fama de menos resistentes,dada su estructura y la debilidad ocasional de sus cementantes, aunque una

sedimentita cementada con slice puede tener una resistencia an mayor a lade un buen granito.

- La estructura de la masa rocosa

La resistencia de un macizo rocoso puede depender fuertemente de laestructura primaria del macizo. Esta puede conferirle propiedades deisotropa, en el caso de ser una masa homognea, o de anisotropa (positivaso negativas), y ambas deben tenerse en cuenta, tanto en la faz deconstruccin como en la de diseo y clculo de las estructuras.

La trabazn y el vnculo molecular entre los cristales quecomponen las rocas gneas, por ejemplo, se traducen enestructuras resistentes.

Por su parte, la disposicin de las partculas en capas(estratos) y la vinculacin indirecta entre los granos de lasrocas sedimentarias, a travs de cementantes de diferentecalidad, se traducen en estructuras con planos de debilidad.

La estructura primaria est referida a la que es propia de la gnesis de lasrocas. Hay estructuras genticas tpicas para las rocas gneas, sedimentariasy metamrficas (masiva, estratificada, esquistosa).

Las estructuras secundarias son aquellas que son consecuencia de la accinde las tensiones desarrolladas en las rocas a propsito de los esfuerzostectnicos. Estas estructuras pueden solaparse con las estructuras primarias,coincidiendo o no con ellas. Las estructuras secundarias son la respuesta endistintas escalas de las tensiones en la masa rocosa. Pueden manifestarseaisladas o sobrepuestas entre s, teniendo diferente jerarqua (dada esta porsu alcance).

Las estructuras secundarias se manifiestan en discontinuidades y, por lotanto, en rasgos de debilidad de las rocas. Segn sus diferentes escalas,

puede tratarse de fallas (desde regionales a locales) o fracturas y diaclasas,que tienen carcter local.

Este tipo de estructuras incide severamente en las condiciones geomecnicasde los macizos rocosos por conformar planos de debilidad. Como tales, stospueden tener menor o mayor significado geotcnico, segn sea su posicinespacial y su rumbo y buzamiento.

- Estado de conservacin de la roca

La intemperizacin, acta la mayora de las veces en forma combinada conun debilitamiento estructural previo del macizo, el cual puede haber sidoproducido por el fallamiento, la fractura o el diaclasado. La actuacin de losagentes fsicos y qumicos a travs de los cuales se vehiculiza la alteracin,puede resultar decisiva en cuanto a la resistencia mecnica o, mejor an alas propiedades geotcnicas de un macizo rocoso.

La alteracin fsico qumica que los factores ambientales pueden producirsobre los macizos rocosos los pueden llevar desde un punto de partida demuy resistentes a simplemente deleznables, y slo en el trmino de milenios.Si bien son fenmenos progresivos muy lentos, de muy larga duracin, hayevidencias claras de su ocurrencia, an cuando sean incipientes.As, un basalto recin solidificado por enfriamiento de una colada bsicapuede tener una resistencia considerable apenas consolidado pero, luego dealterado, prcticamente puede llegar a confundirse con un suelo residual.

No hace falta que la alteracin comprenda a todos los componentes delmacizo, de hecho incide bsicamente sobre los elementos constitutivos msdbiles o vulnerables. Con slo afectar a algunos de esos componentes puedeproducir el debilitamiento del conjunto, ya que resiente la relacin vincularentre las partes, que es sobre la cual se funda finalmente la resistencia delconjunto.

Mtodos de estudio y clasificacin de los macizos rocosos

La necesidad de construir tneles llev a los ingenieros a buscar una formaprctica de evaluar la calidad de la roca a intervenir desde el punto de vistaingenieril.

Diferentes criterios, todos ellos provenientes de expertos de indiscutibletrayectoria, dieron como resultante una serie de mtodos de evaluacin yvaloracin:

La necesidad de unificar criterios llev a la comparacin de los mtodos msconocidos y a establecer entre ellos equivalencias, lo cual permiti en ciertamanera uniformar la concepcin de la calidad de los macizos rocosos o almenos poder efectuar calibraciones ms adecuadas.

Una de las equivalencias planteadas es la efectuada entre el mtodo dendole descriptivo de Terzaghi (1946) y el mtodo cualitativo de Lauffer(1958).

Algunos mtodos de caracterizacin de macizos rocosos

CLASIFICACION DE DEERE o del RQD (1964)

La clasificacin de Deere o del RQD (RQD = Rock Quality Designation) sefunda en la cuantificacin del grado de fractura de la roca.

RQD = ROCK QUALITY DESIGNATION

Permite la obtencin de un ndice, que es un valor cuantitativo que

representa la calidad del macizo rocoso, teniendo en

cuenta las

caractersticas del testigo recuperado en una perforacin.

As, realizando una perforacin con maquinaria especficamente empleadasen estas operaciones, puede evaluarse la calidad del macizo rocososubyacente sobre la base del anlisis del material que se obtiene de esaperforacin.

Ordinariamente, se contempla entonces la planificacin de una serie deperforaciones segn el trayecto previsto del tnel o de la traza vial oferroviaria y se obtienen las caractersticas en cada punto.

En funcin de la homogeneridad o herterogeneidad observadas, se realizanperforaciones complementarias para clarificar la situacin en zonas quepodran ser consideradas a priori como crticas.

Los testigos se van colocando en cajones especiales en cuyos bordes constanlas progresivas de profundidad.

De una perforacin pueden extraerse trozos enteros de roca (donde la rocano est fracturada) hasta que se encuentra una discontinuidad en la masarocosa (el testigo se interrumpe).

Esta llegada a una discontinuidad puede significar que es simplemente unafractura o una diaclasa limpias o con algn material intermedio.

Pero tambin puede tratarse de una zona de roca muy fracturada, de la cualslo se extraen trozos de roca, contabilizndose el espacio de esta parte, sise trata de una transicin.

Todos estos trozos enteros de testigo o estas partes de roca fracturada semiden y se contabilizan para entonces aplicarlos a una frmula de clculo.

La condicin para ser contabilizadas es que stas tengan una longitud mayorque 0,1 m

Longituddel sondeo

Longitudrecuperada

La frmula a aplicar es:RQD = Longitud recuperada en piezas 0,1 m x 100Longitud del sondeodonde:l = Longitud recuperada (en metros)L = Longitud del sondeo (en metros)

Experimentalmente, se cumple que la curva de distribucin es del tipoexponencial negativa en un grfico Frecuencia - Espaciamiento:

RQD 100 e 0.10.1 1Donde es la frecuencia media de discontinuidades por metro

= Cantidad de DislocacionesLongitud del Sondeo

El error comprobado es de +/- 5%.

CLASIFICACION DE BIENIAWSKY (1973)

Este mtodo le da un peso a cada uno de una serie de parmetros que sehan integrado a una frmula en la cual participan:

El RQDEl grado de alteracin de la rocaLa resistencia de la roca sana (compresin simple, en Kg/cm2)La separacin promedio entre diaclasas (espaciamiento en el juego ms desfavorable)La apertura de las diaclasasLa continuidad o extensin de las diaclasas (persistencia)El flujo del agua que pudiere observarse en las discontinuidades relevadasLa orientacin de las diaclasas (rumbo y buzamiento)

CLASIFICACION DE BIENIAWSKY (1984)

Este mtodo engloba algunos parmetros en trminos genricos:

RMR = ROCK MASS RATING

La clasificacin geomecnica RMR fue presentada por Bieniawski en 1973,siendo modificada sucesivamente por el autor en 1976, 1979, 1984 y 1989.

La clasificacin incluye un RMR bsico, independiente de la estructura de laroca, y de un factor de ajuste.

El RMR bsico se obtiene estimando el rango de valores de variosparmetros:

El RQDEnsayo de compresin simpleEspaciamiento de las diaclasas (juego ms desfavorable)Condiciones de las diaclasas (4 + 5 de Bieniawsky 1973)Condiciones del agua subterrneaOrientacin de las diaclasas (favorabilidad de Rumbo y Buzamiento)

El mtodo se aplica asignando la valoracin correspondiente para cadaparmetro.

El factor de ajuste, definido cualitativamente, depende de la orientacin delas discontinuidades y tiene valores distintos segn se aplique a tneles,cimentaciones o taludes.

El resultado de la resta (el factor de ajuste es negativo) es el ndice finalRMR, que puede variar entre 0 y 100, y que clasifica los macizos rocosos encinco clases.

Presentamos seguidamente las Tablas dirigidas a la evaluacin expeditiva demacizos rocosos de Bieniawski:

Tabla 1: Puntaje segn el valor del R.Q.D. (A)

Tabla 2: Puntaje segn resistencia a la Compresin Simple (B)

Tabla 3: Puntaje segn espaciamiento de discontinuidades del juego msimportante (C)

Tabla 4: Puntaje segn las condiciones de las discontinuidades (D)

Tabla 5: Puntaje segn las condiciones del agua subterrnea (E)

Tabla 6: Correccin por la orientacin de las discontinuidades (F)

Tabla 7: Categora de la Clasificacin Geomecnica

CLASIFICACION DE BARTON (1974)

El mtodo de Barton permite calcular la velocidad de avance de construccinde un tnel PR a travs del ndice QTBM.

Indice Q de Barton (simplificado)

En esta clasificacin se catalogan los macizos rocosos segn un denominadondice de calidad Q (Barton et al. 1974):

Donde los parmetros son los siguientes:

R.Q.D.: Rock Quality DesignationJn: Nmero de familias de diaclasasJr: Rugosidad de las caras de las diaclasasJa: Meteorizacin de las diaclasas

Jw: Agua en las diaclasasS.R.F.: Factor de reduccin Stress Reduction Factor

Zonas dbilesCompetencia de la rocaTerrenos fluyentes/expansivos- Determinacin de la clase del macizo rocoso

Indice Qtbm

La nueva versin del conocido ndice Q para caracterizar los macizos rocosos,cuando se trata de predecir la velocidad neta de avance de una mquina(TBM), se denomina QTBM y se encuentra expresado como:

donde:

RQDo: primer parmetro del ndice de Barton et al. (1974) pero medido enorientacin paralela a la direccin del tnelJn: segundo parmetro de la clasificacin de Barton et al. (1974) quedepende del nmero de familias de discontinuidades.Jr: tercer parmetro de la clasificacin de Barton et al. (1974) que dependede la rugosidad de las discontinuidades que ms influyen en el arranque.Ja: cuarto parmetro de la clasificacin de Barton et al. (1974) que dependedel grado de alteracin de las discontinuidades que ms influyen en elarranque.Jw: quinto parmetro de la clasificacin de Barton et al (1974) que dependede la presin y caudal de agua en el tnel.SRF: sexto parmetro relacionado con las tensiones que soporta el macizorocoso y su resistencia, con el que se trata de tener en cuenta los casos de:fluencia, expansividad y estallidos de roca.Fn: fuerza media por cortadorSIGMA: factor dependiente de la resistencia de la roca

Factores de correccin al ndice QTBM

- Factor de correccin por abrasinDepende del CLI (Cutter Life Index), que es funcin del SJ (ndice Siever deperforabilidad) y del AVS (Abrasion Value Steel).

- Factor de correccin por contenido en cuarzoDepende del contenido en % de cuarzo

- Factor de correccin por tensiones en el frente:Depende tensin biaxial en el frente

Velocidad de avance

La velocidad de avance se encuentra definida por Barton mediante laexpresin:

donde:

PR (penetration rate): velocidad de penetracin o avance expresado en m/h.Qtbm: ndice para caracterizar el avance de las tuneladoras en roca.

Presentamos seguidamente las Tablas dirigidas a la evaluacin expeditiva demacizos rocosos de Barton:

INDICE Q (Simplificado) de Barton et al., (1974)ESTIMACION DE PARAMETROS INTERVINIENTES

Coeficiente reductor

Presin

por presencia de agua Jw

Excavaciones secas a con < 5 l/min localmenteAfluencia media con lavado de algunasdiaclasasAfluencia importante por diaclasas limpiasAfluencia importante por diaclasas limpias conlavadoAfluencia excepcional inicial, decreciente con eltiempoAfluencia excepcional inicial, constante con eltiempo

de agua

[Kg/cm2] 10

> 10

Valor

10,66

0,50,33

0,2 - 0,1

0,1 - 0,05

CLASIFICACION DE JACOBS ASSOC. (1974)

RSR = ROCK STRUCTURE RATING

Este mtodo establece un modelo sumatorial teniendo en cuenta:

a) La geologa (tipo de roca, estructura de la roca)b) La fracturacin (rumbo, buzamiento y frecuencia de las discontinuidades)c) El efecto del agua (fluencia prevista de agua)

Favorabilidad de las discontinuidades(su relacin con la obra)

Direccion de las discontinuidades

B

a) B = 45 - 90 muy favorableB = 20 - 45 favorable

Bb) B = 45 - 90 medioB = 20 - 45 desfavorable

c) B = 0 - 20 desfavorable

B

B = 20 - 45 mediaB = 45 - 90 muy desfavorable