UPSE CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL GEOLOGÍA: CLASIFICACIÓN DE ROCAS CON FINES GEOTÉCNICOS CLASE DEL 03 DE JUNIO ING. GASTÓN PROAÑO

EDUCACIÓN VIRTUAL ACTIVIDAD SINCRÓNICA

geotecnia Así los términos cualitativos de roca dura o resistente, blanda o débil deben acotarse mediante determinados valores de su resistencia a compresión simple: 500 a kg/cm2 para una roca dura y 50 a 250 kg/cm2 para una roca blanda.

Estudios geotecnicos La clasificación de las rocas para usos ingenieriles es una tarea compleja, ya que deben cuantificarse sus propiedades con el fin de emplearlas en los cálculos de diseño.

dificultades La dificultad para la clasificación geotécnica estriba tanto en el hecho de la alta variabilidad de las propiedades rocosas como en las limitaciones de los métodos y procedimientos para su determinación.

La resistencia a compresión simple es la propiedad más frecuentemente medida en las rocas, y en base a su valor se establecen clasificaciones en mecánica de rocas. El grado de meteorización o alteración de la matriz rocosa permite clasificar las rocas cualitativamente, y aporta una idea sobre sus características mecánicas o geotécnicas. La meteorización aumenta la porosidad, la permeabilidad y la deformabilidad del material rocoso, y disminuye su resistencia.

Clasificación de los macizos rocosos Las clasificaciones de los macizos rocosos están basadas en alguno o varios de los factores que determinan su comportamiento mecánico: - Propiedades de la matriz rocosa. - Frecuencia y tipo de las discontinuidades, que definen el grado de fracturación, el tamaño y la forma de los bloques del macizo, sus propiedades hidrogeológicas, etc. - Grado de meteorización o alteración. - Estado de tensiones in situ. - Presencia de agua.

Término Descripción Fresca No se observan signos de meteorización en la matriz rocosa. Decolora da Se observan cambios en el color original de la matriz rocosa. Es conveniente indicar el grado de cambio. Si se observa que el cambio de color se restringe a uno o algunos minerales se deben mencionar. Desintegra da La roca se ha alterado al estado de un suelo, manteniéndose la fábrica original. La roca es friable, pero los granos minerales no están descompuestos. Descompues ta La roca se ha alterado al estado de un suelo, alguno o todos los minerales están descompuestos.

Clasificación de las rocas a partir de su resistencia a compresión simple Las clasificaciones más útiles en mecánica de rocas son las denominadas clasificaciones geomecánicas, de las cuales la RMR de Bieniawski y la Q de Barton son las más utilizadas. Establecen diferentes grados de calidad del macizo en función de las propiedades de la matriz rocosa y de las discontinuidades. proporcionan valores estimativos de sus propiedades resistentes globales.

Existen otras clasificaciones basadas en diferentes parámetros más o menos representativos de las propiedades del conjunto del macizo rocoso. La que se presenta en el Cuadro 3.11 considera el grado de fracturación medio mediante el índice RQD, y clasifica al macizo en diferentes grados de calidad (el índice RQD >.

Clasificaciones Geomecánicas Los macizos rocosos, como medios discontinuos, presentan un comportamiento geomecánico complejo que, de una forma simplificada, puede ser estudiado y categorizado en función de su aptitud para distintas aplicaciones. Con este objetivo surgieron las clasificaciones geomecánicas, que aportan, mediante la observación directa de las características de los macizos rocosos y la realización de sencillos ensayos, índices de calidad relacionados con los parámetros geomecánicos del macizo y sus características frente a los sostenimientos de túneles y taludes y la excavación de las rocas, entre otros.

Las características de los macizos rocosos que se consideran en las distintas clasificaciones son las siguientes: - Resistencia del material rocoso. - Índice RQD. - Espaciado de las discontinuidades. - Orientación de las discontinuidades. - Condiciones de las discontinuidades. - Estructura geológica y fallas. - Filtraciones y presencia de agua. - Estado tensional.

Clasificación RMR Desarrollada por Bieniawski en 1973, con actualizaciones de macizos rocosos que permite a su vez relacionar índices de calidad con parámetros geotécnicos del macizo y de excavación y sostenimiento en túneles. Esta clasificación tiene en cuenta los siguientes parámetros geomecánicos: - Resistencia uniaxial de la matriz rocosa. - Grado de fracturación en términos del RQD. - Espaciado de las discontinuidades. - Condiciones de las discontinuidades. - Condiciones hidrogeológicas. - Orientación de las discontinuidades con respecto a la excavación.

La incidencia de estos parámetros en el comportamiento geomecánico de un macizo se expresa por medio del índice de calidad RMR, Rock Mass Rating, que varía de 0 a 100. Para aplicar la clasificación RMR se divide el macizo rocoso en zonas o tramos que presenten características geológicas más o menos uniformes de acuerdo con las observaciones hechas en campo, en las que se lleva a cabo la toma de datos y medidas referentes a las propiedades y características de la matriz rocosa y de las discontinuidades.

Para calcular el índice RMR correspondiente a cada una de las zonas se sigue el procedimiento señalado en el Cuadro Una vez obtenidas las puntuaciones que resultan de aplicar los cinco parámetros de clasificación, se efectúa la corrección por orientación de discontinuidades y se obtiene un valor numérico con el que se clasifica finalmente el macizo rocoso.

Esta clasificación distingue cinco clases, cuyo significado geotécnico se expresa en el Cuadro 3.27; a cada clase de macizo se le asigna una calidad y unas características geotécnicas. Así, un macizo rocoso clasificado como Muy Bueno (Clase I), será un macizo rocoso duro, poco fracturado, sin filtraciones importantes y poco meteorizado, presentado muy pocos problemas frente a su estabilidad y resistencia. Se puede deducir que tendrá una capacidad portante alta, permitirá la excavación de taludes con altas pendientes, y no precisará medidas de estabilización y refuerzo en túneles.

Las clasificaciones geomecánicas en la práctica Las clasificaciones geomecánicas constituyen un procedimiento para la caracterización de los macizos rocosos a partir de datos de afloramientos y sondeos, y se aplican principalmente a los túneles, dada la dificultad del estudio de los macizos rocosos en profundidad. El cálculo del índice RMR permite estimar los parámetros de resistencia y deformabilidad del macizo y establecer su posible comportamiento frente a excavaciones.

Resistencia y deformabilidad de macizos rocosos La resistencia de los macizos rocosos es función de la resistencia de la matriz rocosa y de las discontinuidades, siendo ambas extremadamente variables, y de las condiciones geoambientales a las que se encuentra sometido el macizo, como las tensiones naturales y las condiciones hidrogeológicas. La resistencia puede evaluarse en términos del máximo esfuerzo que puede soportar para unas determinadas condiciones y en términos de sus propiedades resistentes, c y o, parámetros que habitualmente se necesitan para los cálculos de los proyectos de las obras de ingeniería.

Según el grado de fracturación del macizo, su comportamiento y propiedades resistentes quedarán definidas por: - La resistencia de la matriz rocosa (isótropa o anisótropa). - La resistencia al corte de una familia de discontinuidades. - La resistencia al corte de 2 ó 3 familias de discontinuidades (siempre que sean representativas en el macizo). - La resistencia global de un sistema de bloques rocosos con comportamiento isótropo.

Fracturamiento del macizo rocoso

La determinación de la resistencia de la matriz rocosa o de una discontinuidad puede realizarse con ensayos de laboratorio o in situ. Las dimensiones y condiciones naturales del macizo rocoso no se pueden reproducir en laboratorio, y su resistencia debe estimarse por métodos indirectos.

Macizos rocosos

Una vez establecidos los elementos que controlan la resistencia del macizo (una familia o más de discontinuidades, el conjunto de todo ello, una zona singular de debilidad, etc.) y su evaluación puede efectuarse mediante los siguientes procedimientos: - Métodos empíricos basados en experiencias y ensayos de laboratorio. - Métodos indirectos basados en índices de calidad (clasificaciones geomecánicas). - Modelizaciones matemáticas y análisis a posteriori. - Modelizaciones físicas.

Los criterios de rotura o de resistencia constituyen la base de los métodos empíricos, y permiten evaluar la resistencia de los macizos rocosos a partir de los esfuerzos actuantes y de las propiedades del material rocoso, proporcionando: - La respuesta de la roca intacta ante diversas condiciones de esfuerzo. - La predicción de la influencia de las discontinuidades en el comportamiento del macizo. - La predicción del comportamiento global de un macizo rocoso.

Ensayos de laboratorio

ENSAYOS DE LABORATORIO

Los índices de calidad definidos mediante las clasificaciones geomecánicas permiten estimar la resistencia de forma aproximada, al establecer correlaciones entre las clases de roca y los parámetros resistentes y o del macizo rocoso. Los modelos matemáticos permiten estimar la resistencia a partir de la modelización numérica del comportamiento del macizo, de sus propiedades físicas y mecánicas, de la ley de comportamiento y de los factores influyentes (tensiones, agua).

MODELOS MATEMÁTICOS

Los modelos físicos consisten en construir modelos a escala con diferentes materiales o artificiales y someterlos a cargas para observar su comportamiento. Los métodos citados permiten obtener, de forma más o menos aproximada, la resistencia de los macizos rocosos, dependiendo de la información y los datos disponibles. Los criterios empíricos y las modelizaciones matemáticas basadas en los análisis a posteriori son los que proporcionan valores más representativos.

Modelos físicos

Criterios de rotura para macizos rocosos isótropos Criterio de Hooke y Brown Es un criterio de rotura válido para macizos rocosos isótropos, y tiene en cuanta los factores que determinan la rotura de un medio rocoso a gran escala, como son la no linealidad con el nivel de tensiones, la influencia del tipo de roca y del estado del macizo, la relación entre la resistencia a la compresión y a la tracción, la disminución del ángulo de rozamiento con el aumento de la tensión de confinamiento.

Criterio de rotura de las rocas

El criterio fue desarrollado inicialmente para su aplicación a macizos rocosos fracturados sin alterar con matriz rocosa resistente, asumiendo que los bloques de roca están en contacto unos con otros y que la resistencia del macizo está controlada por la resistencia de las discontinuidades. La resistencia del macizo queda definida por la expresión (Hooke y Brown, 1980):

 1 =  3 +  ci m + s  3 3  ci Donde:  1 y  3 son los esfuerzos principales mayor y menor en rotura  ci es la resistencia a compresión simple de la matriz rocosa. m y s son constantes adimensionales que dependen de las propiedades del macizo rocoso, del tipo de roca y de la frecuencia y característica de las discontinuidades.

El valor de  ci debe obtenerse en ensayos de compresión simple de laboratorio o de índices de campo. Los valores de m y s pueden obtenerse a partir del índice RMR: - Para macizos rocosos sin alterar y no afectados por voladuras (undisturbed): - Para macizos rocosos alterados o afectados por voladuras (disturbed): m = m i exp RMR S = exp RMR m = m i exp RMR S = exp RMR

Parámetros a estudiar en el Macizo Rocoso

El índice RQD puede estimarse en afloramientos a partir de correlaciones empíricas como la de Palmstrom, 1975 (en ISRM, 1981): RQD = ,3 J v para J v > 4,5 RQD = 100para J v ≤4,5

Por ejemplo, para un macizo rocoso de calidad aceptable con un RQD de 65, el valor correspondiente de J v es de 15, mientras que para un macizo rocoso de calidad pobre, con RQD de 30, J v vale 26. La estimación del índice RQD puede también realizarse a partir de la frecuencia de discontinuidades, λ, mediante la siguiente expresión que proporciona el valor teórico mínimo del RQD: RQD ≈ 1O0 exp - 0,1 λ (0,1 λ + 1) Donde λ es la inversa del espaciado medio de las discontinuidades.

Clasificación Q (BARTON) Desarrollada por Barton, Lien y Lunde en 1974, a partir del estudio de un gran número de túneles, cons­tituye un sistema de clasificación de macizos rocosos que permite estimar parámetros geotécnicos del maci­zo y diseñar sostenimientos para túneles y cavernas subterráneas. El índice Q está basado en una evaluación numérica de seis parámetros dados por la expresión:

donde: Jn = índice de diac1asado que indica el grado de fracturación del macizo rocoso. Jr = índice de rugosidad de las discontinuidades o juntas. Ja = índice que indica la alteración de las discon­ tinuidades, Jw = coeficiente reductor por la presencia de agua. SRF (stress reduction factor) = coeficiente que tie­ne en cuenta la influencia del estado tensional del macizo rocoso. Los tres factores de la expresión representan:

Conclusiones

BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA libro proporcionado por el profesor en digital EN EL SYLLABUS