7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

1/15

GEOTECNIA I

Cuadernos Didcticos de Geotecnia (1)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 (1)

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 intervienenen definir sus cualidades de resistencia del macizo, que son lascaractersticas 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 factoresfundamentales a considerar: la constitucin del macizo (las rocas que lo

1Para 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.

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

2/15

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 RMRo cualquier otra clasificacin geomecnica no deben sustituir a losprocedimientos de ingeniera de diseo.

Las clasificaciones geomecnicas se deben utilizar en combinacin coninstrumentacin en macizos rocosos, adems de llevar a cabo estudios

analticos 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 forma

reducen 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 puntos

importantes:

1. La fiabilidad de los datos de entrada

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

3/15

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

4/15

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.

TIPOS DE DISCONTINUIDADES DE LA MASA ROCOSA

Segn su TipoESTRUCTURALESConstituyen diseos de debilidad Estratificacin, foliacin, clivaje

FSICASSeparacin efectiva de partes Diaclasas, fallas, fracturas

Segn su Tamao MENORESFrecuentes, son suceptibles de tratamiento

estadstico

Diaclasas

MAYORESEscasas, tratamiento individual Fallas

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 las

rocas. 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,

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

5/15

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, stos

pueden 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.

ESTADO DE CONSERVACION DE LA MASA ROCOSAFenmeno Afectacin Roca Resultante

METEORIZACION- Fsica

Relajacin, expansin/contraccin- Qumicahidrlisis, oxidacin, carbonatacin

Grado deMeteorizacin

aumento +

ROCA FRESCALIGERAMENTE METEORIZADAMODERADAMENTE METEORIZADA

ALTAMENTE METEORIZADAEXTREMADAMENTE METEORIZADASUELO RESUDUAL

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.

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

6/15

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

METODOS DE CLASIFICACIN DE MACIZOS ROCOSOS

METODOSCUALITATIVOS

TERZAGHI (1946)

LAUFFER (1958)

METODOSCUALI / CUANTITATIVOS

DEER RQD (1941)

BEINIAWSKY (1973)

BARTON, LIEM y LUNDE Q (1974)

JACOBS ASSOC. RSR (1984)

BIENIAWSKY RMR (1984)

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).

EQUIVALENCIAS ENTYRE METODOS DE CLASIFICACION DE MACIZOS ROCOSOS

Clasificacin de Terzaghi (1946)

DESCRIPTIVA

Clasificacin de Lauffer (1958)

CUALITATIVA

Roca intacta

Roca estratificada

Roca moderadamente fracturada

Roca en bloques imperfectos vinculados

Roca triturada, qumicamente intacta

Roca compresible

Roca expansiva

Clase A: Roca estable

Clase B: Roca inestable a largo plazo

Clase C: Roca inestable a corto plazo

Clase D: Roca triturada

Clase E: Roca muy triturada

Clase F: Roca compresible

Clase G: Roca muy compresible

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

7/15

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 querepresenta la calidad del macizo rocoso, teniendo en cuenta lascaractersticas del testigo recuperado en una perforacin.

As, realizando una perforacin con maquinaria especficamente empleadasen estas operaciones, puede evaluarse la calidad del macizo rocoso

subyacente 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 cual

slo 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

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

8/15

La frmula a aplicar es:

RQD = Longitud recuperada en piezas 0,1 m x 100Longitud del sondeo

donde: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:

( )11.0100 1.0 += eRQD Donde es la frecuencia mediade 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 RQD El grado de alteracin de la roca La 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 diaclasas

La continuidad o extensin de las diaclasas (persistencia) El flujo del agua que pudiere observarse en las discontinuidades relevadas La orientacin de las diaclasas (rumbo y buzamiento)

Longituddel sondeo

Longitudrecuperada

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

9/15

CLASIFICACION DE BIENIAWSKY (1984)

Este mtodo engloba algunos parmetros en trminos genricos:

RMR = ROCK MASS RATING

La clasificacin geomecnica RMRfue 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 RQD Ensayo de compresin simple Espaciamiento de las diaclasas (juego ms desfavorable) Condiciones de las diaclasas (4 + 5 de Bieniawsky 1973) Condiciones del agua subterrnea Orientacin 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)

R.Q.D.(%)

Puntaje

90 - 100 2075 - 90 1750 -75 1325 - 50 8< 25 3

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

10/15

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

Indice delEnsayo de Carga Puntual

(MPa)

Resistencia a laCompresin Simple (RCS)

(MPa)Puntaje

>10 > 250 15

4 - 10 100 - 250 122 - 4 50 - 100 71 - 2 25 - 50 4

-- 10 - 25 2-- 3 - 10 1-- < 3 0

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

Espaciamiento(m) Puntaje>2 20

0,6 2,0 150,2 0,6 100,06 0,2 8

< 0,06 5

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

Descripcin Puntaje

Superficies muy rugosas, de poca extensin, paredes de roca resistente 15Superficies poco rugosas, apertura menor a 1 mm, paredes de rocaresistente

12

Idem anterior, pero con paredes de roca blanda 7Superficies suaves relleno de falla de 1 a 5 mm de espesor aperturade 1 a 5 mm, las discontinuidades se extienden por varios metros

4

Discontinuidades abiertas, con relleno de falla de ms de 5 mm deespesor apertura de ms de 5 mm, las discontinuidades se extiendenpor varios metros

0

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

Filtracin por cada10m de longitud de

tnel(L/min)

Presin del agua enla discontinuidad

dividido la tensinPrincipal Mayor

CondicionesGenerales

Puntaje

Nada 0 Completamenteseco

15

< 10 0,0 0,1 Apenas hmedo 1210 - 25 0,1 0,2 Hmedo 7

25 125 0,2 0,5 Goteo 4> 125 > 0,5 Flujo continuo 0

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

11/15

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

Evaluacin de lainfluencia de la orientacin

para la obra

Puntajepara Tneles

Puntajepara Fundaciones

Muy favorable 0 0Favorable -2 -2Medio -5 -7

Desfavorable -10 -15Muy desfavorable -12 -25

Tabla 7: Categora de la Clasificacin Geomecnica

CLASIFICACION GEOMECANICA FINAL

(Bieniawski)

R.M.R.Suma de los puntajes

de las tablas

Calificacindel Macizo Rocoso

Clase

81 - 100 Muy bueno I61 - 80 Bueno II41 - 60 Medio III21 - 40 Malo IV0 - 20 Muy malo V

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 calidadQ (Barton et al. 1974):

Donde los parmetros son los siguientes:

R.Q.D.: Rock Quality Designation Jn: Nmero de familias de diaclasas

Jr: Rugosidad de las caras de las diaclasas Ja: Meteorizacin de las diaclasas

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

12/15

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

Zonas dbilesCompetencia de la roca

Terrenos 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 tnel

Jn: 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 cortador SIGMA: 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 de

perforabilidad) 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 la

expresin:

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

13/15

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

14/15

Coeficiente reductorpor presencia de agua Jw

Presinde agua[Kg/cm2]

Valor

Excavaciones secas a con < 5 l/min localmente 10 0,2 - 0,1

Afluencia excepcional inicial, constante con eltiempo

> 10 0,1 - 0,05

Parametro S.R.F. (Stress Reduction Factor)(Factor de reduccin de tensiones)

Valor

Zonas dbiles

Multitud de zonas dbiles o milonitas 10Zonas dbiles aisladas, con arcilla o roca descompuesta(cobertura > 50 m)

5

Zonas dbiles aisladas, con arcilla o roca descompuesta concobertura > 50 m.

2,5

Abundantes zonas dbiles en roca competente 7,5

Zonas dbiles aisladas en roca competente (cobertura > 50 m) 5

Idem con cobertura > 50 m 2,5

Terreno en bloques muy fracturado 5

Roca competentePequea cobertura 2,5

Cobertura media 1

Gran cobertura 0,5 - 2,0

Terreno fluyenteCon bajas presiones 5 - 10

Con altas presiones 10 - 20

Terreno expansivoCon presin de hinchamiento moderada 5 - 10

Con presin de hinchamiento alta 10 - 15

TABLA DE CLASIFICACION FINAL (Q)Excepcionalmente malo < 0,01Extremadamente malo 0,01 - 0,1Muy malo 0,1 - 1Malo 1 - 4Medio 4 - 10Bueno 10 - 40Muy bueno 40 - 100Extremadamente bueno 100 - 400Excepcionalmente bueno > 400

7/31/2019 003-2010-1GEO1-CUAD1-MACIZOS

15/15

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

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

B

B

B

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

c) B = 0 - 20 desfavorableB = 20 - 45 mediaB = 45 - 90 muy desfavorable