CI52T Mecánica de Rocas en Obras de Ingeniería Sergio Sepúlveda V. Rocas Sedimentarias CI52T Mecánica de Rocas en Obras de Ingeniería Sergio Sepúlveda V.

Rocas sedimentarias Clásticas y no clásticas. Las rocas sedimentarias clásticas están formadas por la acumulación y litificación de partículas minerales y/o fragmentos de rocas, depositadas por la acción del agua y, en menor medida, del viento o del hielo glaciar. Las rocas sedimentarias no clásticas pueden ser químicas u orgánicas.

La litificación o diagénesis es el fenómeno por el cual un sedimento se convierte en roca y es inducido por la presión y temperatura que afecta a los sedimentos cuando tienen una sobrecarga de varios cientos de metros de sedimentos. La litificación consiste en tres procesos:

Compactación, que se refiere a la disminución del volumen de los poros de un sedimento debido a la presión ejercida por los sedimentos que lo sobreyacen. Para que exista esta disminución de la porosidad, debe existir un arreglo del empaquetamiento de los granos y pérdida de agua. La disminución del volumen del sedimento debido a compactación puede, en algunos casos, llegar al 50%, como es el caso de algunas arcillas.

NOTA: En jerga geológica, “compactación” incluye los conceptos de compactación y consolidación en ingeniería. A su vez el término “consolidación”, se utiliza para referirse en general al proceso de litificación.

Cementación, que corresponde a la depositación de minerales como calcita, sílice, óxidos de fierro o arcillas en los poros o espacios que existen entre las partículas que constituyen el sedimento. Este proceso es facilitado por la circulación de agua.

Recristalización, que consiste en la disolución y cristalización, a pequeña escala, de algunos minerales como el cuarzo y la calcita y su redepositación. El resultado es similar a la cementación.

Rocas Clásticas Conglomerados Brechas Areniscas Lutitas Limolitas Arcillolitas

Diagénesis en Arenas y Gravas Cementos más comunes son cuarzo (SiO2, el más resistente), óxidos de hierro calcita (CaCo3),dolomita (CaMg(Co3)2) y yeso (CaSO4• 2H2O). A veces arcillas unen los granos, dando un aspecto de roca, pero que al perturbarse se disgrega fácilmente. Por meteorización, el proceso de cementación puede revertirse. Sedimentos con apariencia de roca pero sin cemento deben clasificarse y tratarse como suelos.

Diagénesis en Arcillas y Limos Más densa => más resistente n: porosidad, q: resistencia axial no confinada, A y b ctes. Densidad depende del enterramiento y edad del depósito, presencia de capas gruesas que faciliten consolidación, etc. ni: porosidad inicial, h: profundidad de enterramiento, c cte.

En general, a porosidades sobre 30% en rocas de arcilla y limo o sobre 20% en areniscas, el comportamiento en compresión es dúctil. Bajo n=10%, el grado de cementación entre granos y en los poros permite un comportamiento frágil.

Rocas Clásticas Gruesas Conglomerado Brecha Arenisca

Propiedades Ingenieriles de Rocas Clásticas Gruesas Alta porosidad, conductividad hidráulica puede ser alta. Fracturamiento puede elevar más la conductividad. Inyección con cemento puede ser difícil en areniscas muy finas o arcillosas. Pueden actuar como acuíferos. En conglomerados, brechas y areniscas cuarcíferas, puede ser difícil la perforación de sondajes. En climas secos, se produce una costra de mayor dureza, que puede ser malinterpretada como la resistencia de la roca.

Propiedades Ingenieriles de Rocas Clásticas Gruesas En general forman taludes estables, pero pueden formarse fracturas paralelas al talud que generen planchones, en especial en areniscas masivas. Rocas con Vp<1850 m/s son en general excavables, rocas muy blandas pueden ser fácilmente erodables y complicar la excavación. Tronadura de rocas más duras debe hacerse con cuidado, ya que se puede fracturar más allá de la zona deseada. En general, son buena roca de fundación y para excavaciones subterráneas. Sin embargo, hay que proteger de flujos de agua que puedan generar erosión interna.

Rocas Clásticas Finas Limolita Arcillolita Lutita (shale)

Propiedades Ingenieriles de Rocas Clásticas Finas Las lutitas se distinguen por ser fisibles: la fisibilidad es la tendencia a romperse en planos muy poco espaciados y paralelos, es decir se rompe en láminas. Cuando la roca no ha desarrollado fisibilidad, se usan los términos arcillolita, limolita, fangolita, etc. Estas tienden a romperse en “terrones”. Según el grado de diagénesis, las rocas pueden comportarse como verdadera roca (resistencia del orden del concreto) o más bien como suelos.

Propiedades Ingenieriles de Rocas Clásticas Finas Al igual que los suelos, las rocas con minerales de arcilla tipo montmorillonita presentan problemas de expansividad. Otro problema común es el slaking (desgaste), deterioro de la roca al ser expuesta a condiciones ambientales. Se manifiesta por agrietamiento y a veces hinchamiento. En rocas fisibles, las “láminas” se abren; en rocas no fisibles, se forman nuevas grietas que al intersectarse pueden partir la roca en pedazos menores. El slaking se manifiesta especialmente ante presencia de agua, por lo que el efecto es mayor en rocas expansivas.

Propiedades Ingenieriles de Rocas Clásticas Finas Lutitas carbonosas pueden producir gas, lo que debe considerarse al hacer sondajes o excavaciones. Pueden ser difíciles de recuperar en sondajes, por su tendencia a romperse. Debe preservarse su humedad in-situ. En estado masivo, las rocas sedimentarias finas son impermeables. Sin embargo, si están fracturadas pueden tener alta conductividad hidráulica.

Propiedades Ingenieriles de Rocas Clásticas Finas En rocas arcillosas son comunes los deslizamientos, pudiendo ser de gran extensión. En rocas más duras (ej. lutitas cementadas), la estratificación puede generar planos de deslizamiento si están favorablemente orientados c/r a la ladera. En rocas más blandas, se puede generar deslizamiento rotacional similar a los de suelo. En ambos casos, el movimiento puede convertir el material en un barro viscoso que puede continuar moviéndose como un flujo.

Propiedades Ingenieriles de Rocas Clásticas Finas En general, debe evitarse fundar grandes cargas (ej. Represas), por su deformabilidad y tendencia a generar altas presiones hidráulicas. Algunas lutitas calcáreas pueden presentar problemas de disolución. La excavación de túneles puede presentar problemas de colapso por hinchamiento (squeezing) que deforme las paredes. Esto se produce en general si los esfuerzos superan la resistencia de la roca, por lo general baja.

En general, se presentan problemas de squeezing si la profundidad del túnel es: Rocas con tendencia al desgaste (slaking) pueden dificultar la sujeción de shotcrete en túneles y taludes, o las placas que sujetan los pernos se pueden soltar.

Alternancia Arenisca-Lutita Es común que se produzcan capas o estratos alternados de areniscas y lutitas, a distintas escalas,los que presentan propiedades ingenieriles particulares.

Alternancia Arenisca-Lutita Capas permeables-impermeables, agua se concentra en las capas de arenisca resultando en altas velocidades de flujo, pudiendo generar erosión o movimientos de roca. Erosión más rápida de capas de lutitas puede dejar las capas de areniscas “colgadas”, provocando su inestabilidad.

Alternancia Arenisca-Lutita Igualmente, bloques completos de arenisca pueden deslizar sobre superficies de cizalle generadas en lutitas, generando deslizamientos en bloque en taludes. En túneles, el método de excavación debe ser adaptado a las condiciones variables. Al tronar, los esfuerzos se concentran en las areniscas más rígidas y resistentes, provocando mayor fracturamiento de éstas y tendencia a deslizar hacia la excavación. Posibilidad de asentamientos diferenciales para fundaciones.

Rocas Sedimentarias Químicas y Bioquímicas Rocas formadas fundamentalmente por depositación y/o precipitación de materia inorgánica o biológica, de composición química determinada, sujeta posteriormente a diagénesis. Destacan rocas silíceas, carbonatadas y rocas evaporíticas. Desde el punto de vista ingenieril, las rocas que presentan mayores problemas son aquéllas que son solubles, como las calizas y evaporitas.

Rocas Carbonatadas Calizas, compuestas por cristales, fragmentos o restos de conchas compuestos fundamentalmente por calcita (CaCo3). Dolomitas, donde calcita ha sido parcialmente reemplazada por el mineral dolomita dolomita, CaMg(Co3)2 Las calizas pueden presentar granulometría distinta, pudiendo a su vez hablarse de areniscas o lutitas calcáreas cuando hay un % importante de material calcáreo en los clastos, cuando los fragmentos calcáreo han sufrido un transporte y redepositación.

Rocas Evaporíticas Formadas por precipitación de minerales durante la evaporación de mares o lagos. Destacan las rocas formadas por los minerales de Yeso (CaSO4• 2H2O), Anhidrita (CaSO4)y Halita (NaCl). yeso

Procesos de Disolución El agua disuelve las rocas según su grado de acidez, al incorporar CO2 de la atmósfera y los suelos, convirtiéndose en ácido carbónico diluido (H2CO3). En rocas carbonatadas, el ácido libera los cationes de Ca++ y/o Mg++, dejándolos en solución: CO2+H2O+CaCO3 → Ca+2 + 2HCO3- Similarmente, las evaporitas pueden ser altamente solubles.

Ambientes kársticos A ambientes donde predominan rocas solubles se les llama “Karst”. En estos lugares, con el paso del tiempo se forman cavernas, depresiones y otras formas debido a la disolución parcial de las rocas. La disolución es mayor en zonas de estructuras como fallas y fracturas. El drenaje superficial es perturbado. Estos ambientes pueden ser de gran complejidad para la construcción de obras de ingeniería.

Evolución en el tiempo de un paisaje en rocas kársticas (Goodman, 1993).

Subsidencia y Dolinas En ambientes kársticos, el suelo sufre subsidencia progresiva, pudiendo producirse grandes depresiones o cavidades llamadas Dolinas o Sinkholes. Estos pueden formarse de manera gradual o por colapso.

Ejemplo de formación de un sinkhole

Propiedades Ingenieriles de Rocas Solubles Causan peligros asociados a colapsos y deslizamientos, debidos a cambios en condiciones de aguas subterráneas y disolución. Necesitan una exploración cuidadosa para detectar zonas disueltas. Técnicas geofísicas son útiles cerca de la superficie. Irregularidad en la superficie de la roca puede causar errores en estimación de volúmenes, profundidad de fundaciones, etc. Anhidrita puede presentar problemas de expansividad al absorber agua.

Obras pueden causar percolación de agua que disuelva rocas en corto plazo, particularmente yeso. Manejo del agua debe hacerse con cuidado. Variabilidad en dureza de las rocas puede causar problemas operacionales en excavaciones. Cavidades ocultas pueden ser de gran riesgo para fundaciones de puentes o edificios. Mala roca para construcción de embalses, por posibles filtraciones. Calizas y dolimitas en general de buena calidad para túneles. Evaporitas tienen gran variabilidad en su comportamiento.