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Geología. Ingeniero Técnico de Obras Públicas.
Tema 7. Macizo rocoso. Caracterización y análisis.
1.- Definición de macizo rocoso.
Matriz rocosa
Discontinuidades estructurales.
2.- Deformación del macizo rocoso.
2.1.- Comportamiento mecánico de las rocas sometidas a esfuerzos.
2.2.- Fallas: definición, elementos y tipos.
2.3.- Cabalgamientos: definición y elementos.
2.4.- Pliegues: definición, elementos y tipos.
3.- Caracterización del macizo rocoso.
Clasificación de Bieniawski. Índice RMR.
Ensayos de laboratorio.
Ensayos In Situ.
Bibliografía recomendada
* Blyth, F., de Freitas, M. 1984. A Geology for Engineers. Ed. Arnold.
* Ferrer, M; González de Vallejo, L. 1999. Manual de Campo para la descripción y caracterización
de macizos rocosos en afloramientos. Instituto Tecnológico Geominero de España.
* González de Vallejo, L. 2002. Ingeniería Geológica. Ed. Prentice Hall.
* Waltham, A. C. 1994. Foundations of Engineering Geology. Ed. Blackie Academic & Professional.
* López Marinas, J.M. Geología aplicada a la Ingeniería Civil. Edit. Cie-Dossat
* Monroe, J.S., Wicander, R. & Pozo, M. Geología. Dinámica y evolución de la Tierra. 2008
1. Definición de macizo rocoso.
Conjunto formado por la matriz rocosa (roca intacta) + discontinuidades
Estudio individualizado de sus propiedades y de
su efecto en obra:
matriz rocosa (roca intacta)
Matriz rocosa:
-
Caracterización mineralógica
-
Resistencia y deformabilidad
-
Grado de meteorización
-
Porosidad y permeabilidad primaria
-
….
Discontinuidades:
-
Resistencia a tracción
-
Orientación respecto al desarrollo de la obra
(por ejemplo excavación de un talud)
-
Densidad de fracturación y permeabilidad
secundaria
-
.....
discontinuidades
Discontinuidad (Ferrer y González de Vallejo, 1999):
Cualquier plano de origen mecánico (rotura) o sedimentario en un macizo rocoso, que normalmente
muestra una resistencia a tracción reducida.
Confieren un comportamiento discontinuo y no uniforme al macizo rocoso y en cualquier caso
representan un plano de debilidad.
Los principales tipos de discontinuidades son:
1.
Estratificación: superficie de espesor superior a 1 cm que separa unidades adyacentes y
paralelas, al menos por un discreto cambio litológico
2.
Laminación: superficie de espesor inferior a 1 cm
3.
Falla: fractura a lo largo de la cual existe un desplazamiento relativo de los bloques
4.
Diaclasa: fractura sin desplazamiento de los bloques
5.
Fisura: fractura sin desplazamiento y de pequeña extensión. Sin conexión con otras
discontinuidades.
6.
Planos de esquistosidad: planos con espaciado milimétrico de origen tectónico propios del
metamorfismo y con una disposición perpendicular a la dirección de los esfuerzos
7.
Plano de deslizamiento: superficie originada por movimientos de cizalla
2. Deformación del macizo rocoso.
2.1. Comportamiento mecánico de las rocas sometidas a esfuerzos.
Esfuerzos tectónicos => deformación de las rocas dando lugar a distintas estructuras
a) la magnitud de los esfuerzos
b) comportamiento de mecánico de las rocas:
Frágil (mayoritario entre las rocas expuestas en superficie o a escasa profundidad): FALLAS-DIACLASAS
La deformación de la roca es proporcional al esfuerzo y cuando el esfuerzo supera su resistencia (límite
elástico) se rompen. Si dicho límite no es superado, al relajarse los esfuerzos se recupera la forma inicial.
Dúctil (sales, yesos, arcillas o cualquier otra a cierta profundidad):
PLEGAMIENTO
La deformación no es proporcional al esfuerzo y superado el límite plástico la deformación continua sin
incremento de esfuerzo. No se recupera la forma original => deformación permanente
2.2. Fallas.
Definición: fractura con desplazamiento de los bloques
Clasificación => en función del desplazamiento relativo de los bloques
bloque de techo: por encima del plano de falla
bloque de muro: bajo el plano de falla
a)
Falla normal:
- bloque de techo desciende a favor de la pendiente del
plano de falla.
- la formación geológica más moderna se pone en
contacto con la más antigua.
- están asociadas a esfuerzos distensivos.
b) Falla inversa:
- el bloque de techo asciende en contra de la pendiente
del plano de falla.
- La formación geológica más antigua se pone en
contacto con la más moderna.
- Están asociadas a esfuerzos compresivos.
c) Falla de desgarre:
- movimiento en horizontal
2.3. Cabalgamiento.
Falla inversa muy tendida con buzamiento inferior a 30º, que corresponde con el desplazamiento de una
gran extensión, tanto longitudinal como en profundidad, de formaciones geológicas antiguas (unidad
alóctona o cabalgante) sobre formaciones geológicas más modernas (unidad autóctona o
cabalgada).
Los esfuerzos tectónicos compresivos se prolongan durante un intervalo de tiempo geológico muy
grande y las formaciones mantiene un comportamiento
Unidad alóctona mecánico intermedio entre elástico y
plástico. Normalmente existe una formación geológica con cierta plasticidad que actúa como nivel de
despegue y es posible que el cabalgamiento se divida en varias escamas. Es una estructura muy
frecuente en las cordilleras Cantábrica, Bética y Pirenaica.
Nivel de
despegue
Or
Unidad autóctona
2.4. Pliegues.
Resultado de esfuerzos tectónicos compresivos que generan una deformación dúctil sobre rocas
mecánicamente plásticas (sometidas a altas P y T).
Elementos que permiten describir un pliegue:
a) Eje de pliegue: línea que contiene los puntos de máxima curvatura del pliegue en un único estrato.
b) Plano axial: plano que contiene todos los ejes de pliegue de los distintos planos de estratificación.
c) Flanco de Pliegue: superficie del pliegue comprendida entre dos planos axiales.
d) Línea de cresta: línea que contiene los puntos topográficamente más elevados en un pliegue
anticlinal.
e) Línea de seno: línea que contiene los puntos topográficamente más bajos en un pliegue sinclinal.
Eje de
pliegue
Plano
axial
Flanco
de
pliegue
Elementos que permiten describir un pliegue:
d) Línea de cresta: línea que contiene los puntos topográficamente más elevados en un pliegue
anticlinal.
e) Línea de seno: línea que contiene los puntos topográficamente más bajos en un pliegue sinclinal.
Plano axial vertical => pliegue recto.
Plano axial no vertical => pliegue con vergencia => línea de cresta o seno y eje de pliegue no coinciden
en el mismo punto.
Vergencia
Línea de cresta o charnela
Plano
axial
Línea de seno
Eje de
pliegue
3.- Caracterización del macizo rocoso.
Fase inicial de una obra => caracterización del macizo rocoso.
Clasificaciones geotécnicas => Bieniawski en 1979 (Rock Mass Ratio, RMR)
Análisis, caracterización y aproximación semi-cuantitativa a la calidad del macizo rocoso =>
RMR (Rock Mass Ratio) = valoración de las que se deduce una calidad:
Muy buena – Buena – Aceptable – Mala – Muy mala.
Funciones:
- Útil cuando el sustrato es roca o “suelos duros”
- Valora las propiedades de la matriz rocosa y de las discontinuidades por separado pero
la clasificación es conjunta.
- Permite delimitar zonas con diferentes propiedades.
- Permite delimitar zonas con diferente calidad del macizo rocoso.
- Permite identificar zonas que requieren tratamiento para mejorar sus propiedades
- Amplia aplicabilidad: taludes de carreteras, interior de túneles, excavaciones profundas,
cerradas de presas, cimentación, etc.
- Ingeniería Civil y Minería
Parámetros de clasificación:
1.
Resistencia de la matriz rocosa
2.
Fracturación del macizo rocoso:
determinación índice RQD (rock
quality design)
3.
Separación o espaciado entre
discontinuidades
4.
Estado de las discontinuidades
5.
Circulación de agua
6.
Corrección por la orientación de
discontinuidades
1.
Resistencia de la matriz rocosa:
- Ensayos de laboratorio => ensayo de resistencia a compresión simple
- Ensayos in situ (en obra) => ensayo de carga puntual (PLT).
En ambos casos se pretende determinar cual es la resistencia máxima de la matriz rocosa
antes de que se produzca rotura, es decir, antes de superar el límite elástico.
Ensayos de resistencia (en laboratorio):
- Ensayo uniaxial o compresión simple
- Ensayo triaxial
Célula de carga
Prensa hidráulica
Ensayos de resistencia (en laboratorio):
- Ensayo uniaxial o compresión simple
- Ensayo triaxial (confinamiento lateral mediante fluido a presión)
Permiten determinar la resistencia a compresión (límite elástico) y la deformación de la matriz
rocosa según se aplican los esfuerzos
Factores geológicos que afectan a estos ensayos:
a) Litología.
b) Tamaño de grano y cementación (rocas sedimentarias).
c) Porosidad.
d) Microfisuración
e) Grado de meteorización o alteración
Ensayo de Compresión Uniaxial
Ensayo de Compresión Triaxial
1
1
2 =
3
Ensayos de resistencia (in situ “en obra”):
- Ensayo de carga puntual o PLT
- Martillo Schmidt
Sistema mucho más sencillo, rápido y barato, pero de menor precisión.
Resistencia al corte de discontinuidades.
La valoración del primer parámetro, resistencia matriz rocosa o roca intacta, depende del
método empleado:
2. Grado de fracturación del macizo rocoso => índice RQD (Rock Quality Designation)
Define el grado de fracturación del macizo rocoso a partir del análisis de testigos recuperados
en sondeos (  54.7 mm)
a)
b)
c)
3. Separación o espaciado entre diaclasas.
Distancia que existe entre dos planos de discontinuidad consecutivos y de una misma familia, medida
en dirección perpendicular a dichos planos. El espaciado define el tamaño del bloque de matriz rocosa
así como una referencia al grado de fracturación.
4. Estado de las diaclasas.
Rugosidad + apertura + ausencia/presencia de relleno
Situación más desfavorable  discontinuidad lisa, con gran apertura y con presencia de relleno arcilloso
expansivo.
5. Circulación de agua a través de las discontinuidades. Agua freática.
Indicativo la meteorización sufrida por la roca así como el efecto lubricante del agua. Según el tipo de
obra, este parámetro puede ser interpretado y calibrado de forma diferente.
6. Corrección por orientación de las discontinuidades.
La orientación de una discontinuidad requiere la determinación de los siguientes parámetros
:
•
Dirección del plano (): ángulo formado entre el norte geográfico y la proyección de la línea de
dirección que representa al plano. Se entiende por línea de dirección (strike line) la línea resultante de la
intersección entre el plano de discontinuidad y el plano horizontal.
•
Buzamiento (): ángulo medido en la vertical entre el plano horizontal que representa al terreno
y la línea de máxima pendiente del plano de discontinuidad.
La dirección del plano puede expresarse también mediante la dirección de buzamiento (dip
direction), entendido este último como el ángulo entre el norte geográfico y la proyección de la línea de
máxima pendiente sobre el plano horizontal.