1. 24/03/2008
Propiedades Físico Mecánicas
Físico-Mecánicas
en Macizos Rocosos
Congreso de Estudiantes de Ingeniería Civil 2005
Francisco Gordillo E.
UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA
Planos débiles en rocas
Referencias
• Chernyshev, S.N. and Dearman, W.R.
Rock Fractures. B tt
R kF t Butterworth-Heinemann,
th H i
London
• Goodman, R.E. Introduction to Rock
Mechanics.
Mechanics John Wiley & Sons New York
Sons,
1

2. 24/03/2008
Propiedades de la roca matriz
Naturaleza discontinua de las rocas
Contraposición “roca intacta” – “macizo rocoso”
2

3. 24/03/2008
Naturaleza discontinua de las rocas
• Las propiedades del macizo rocoso están
determinadas por las discontinuidades:
Lo importante en mecánica de rocas es lo que no es
roca
• Excepciones:
– Construcciones a gran profundidad (≈ 3000 m para
rocas dura)
– Perforaciones y excavaciones
– Rocas blandas (rocas salinas, yeso, argilitas,
limolitas, depósitos terciarios que se comportan como
suelos)
Naturaleza discontinua de las rocas
• Los bloques de roca se mueven más fácilmente
en la dirección cinemáticamente posible
• Bloques de roca rodeados por planos débiles de
formas irregulares
Juntas en un túnel
a
b
a'
b' Los bloques coaccionados
dilatan la roca durante
aa′ > bb′ deformaciones por corte
3

4. 24/03/2008
Naturaleza discontinua de las rocas
• Comparación de algunas propiedades
– Resistencia:
muestra intacta > macizo rocoso
– Permeabilidad:
muestra intacta < macizo rocoso
– Deformabilidad:
muestra intacta < macizo rocoso
Clasificación e identificación básica de
las rocas
4

5. 24/03/2008
Clasificación
• Desde el punto de vista genético
– Sedimentarias
– Metamórficas
– Ígneas
• Desde el punto de vista de su textura (según
Goodman). Esta clasificación resulta más adecuada en
ingeniería, en la evaluación del comportamiento mecánico
– Textura cristalina
– Textura clástica
– Rocas de grano muy fino
– Rocas orgánicas
Clasificación
I. Textura cristalina
Cristales fuertemente entrelazados, de silicatos, carbonatos, sulfatos u otras
sales
Carbonatos y sales solubles Caliza, dolomita, rocas salinas,
mármol, yeso
Mica u otros minerales de forma Esquistos de mica, clorita, grafito
plana en bandas continuas
Silicatos formando bandas, sin Gneiss
láminas continuas de mica
Silicatos de tamaño de grano Granito, diorita, gabro, sienita
uniforme orientados y distribuidos
aleatoriamente
Silicatos orientados y distribuidos Basalto, riolita, otras rocas
aleatoriamente en una matriz de volcánicas
grano muy fino, con cavidades
Rocas que han soportado grandes Serpentinita, milonita
esfuerzos de corte
5

6. 24/03/2008
Clasificación
II. Textura clástica
Bloques de varios tipos y granos de minerales diversos, cuyas propiedades
vienen determinadas por el tipo de cementación que une los distintos
elementos
Cementación estable Areniscas con matriz silícea y
areniscas limosas
Cementación ligeramente soluble Areniscas y conglomerados de
matriz de calcita
Cementación altamente soluble Areniscas y conglomerados con
matriz de yeso
Cementación incompleta o débil Arenisca desmenuzable, toba
Sin cementación Areniscas de matriz arcillosa
Clasificación
III. Rocas de grano muy fino
Compuestas principalmente de arcillas o limos con deformabilidad,
resistencia, durabilidad y tenacidad muy variable
Rocas duras, isótropas Corneana, algunos basaltos
Rocas duras, macroscópicamente Pizarras cementadas, rocas
anisótropas pero isótropas laminares
microscópicamente
Rocas duras microscópicamente Pizarras, filitas
anisótropas
Rocas blandas, de características Creta, esquistos compactados,
similares a los suelos margas
6

7. 24/03/2008
Clasificación
IV. Rocas orgánicas
Pueden ser de comportamiento viscoso, plástico o elástico
Carbón blando Lignito, carbón bituminoso
g ,
Carbón duro
"Oil shale"
Esquitos bituminosos
Alquitrán arenoso
Índices
• Las propiedades de las rocas son muy
variables d bid a l variedad d
i bl debido la i d d de
estructuras y componentes
• Interesa disponer de una descripción
cuantitativa de las rocas con un cierto
número de medidas básicas
• Algunas propiedades son relativamente
fáciles de medir índices
7

8. 24/03/2008
Índices
• Porosidad: proporción relativa de materia sólida y
huecos
• Densidad: añade información acerca de la
composición mineralógica
• Velocidad de transmisión de ondas: permite
estimar el grado de fisuración (en combinación con un
estudio petrográfico)
• Permeabilidad: permite evaluar la interconexión
relativa de los poros
• Durabilidad: indica la tendencia a la descomposición
de los componentes o estructuras, con la consecuente
degradación de la calidad de la roca
• Resistencia: determina la competencia de la matriz
rocosa para mantener unidos sus componentes
Índices
• Los índices permiten una clasificación de
las rocas para su uso en ingeniería
• Los índices se obtienen a partir de
ensayos de laboratorio con probetas de
roca intacta clasificación para
aplicaciones relacionadas principalmente
con el comportamiento de la roca matriz y
matriz,
no para el macizo rocoso
(discontinuidades,...)
8

9. 24/03/2008
Porosidad
• Porosidad:
– Es la proporción del volumen de huecos con relación
al volumen total:
Vp
n=
Vt
– La porosidad representa un índice de la calidad de la
roca
– Típicamente, los valores son más bajos que en
suelos
η = 1 - γv/ γe
Porosidad
• Porosidad
– Valores típicos:
Rocas sedimentarias:
Factor responsable: poros
Puede oscilar entre: 0 < n < 90%
Para una arenisca media, n ≈ 15%
n disminuye con la profundidad
n disminuye con la edad (desgaste)
Rocas ígneas y metamórficas:
g
Factor responsable: fisuras
Normalmente, n < 1 a 2%
n aumenta con la edad (desgaste) hasta n = 20% o más
9

10. 24/03/2008
Relación porosidad – edad
areniscas limolitas, margas, argilitas
Relación porosidad – velocidad de
transmisión de ondas
limolita
arenisca
caliza
granito
basalto
10

11. 24/03/2008
Relación porosidad – resistencia
granito
rocas carbonatadas
areniscas
Densidad
• Densidad:
– El rango de variabilidad de la densidad de las rocas
es mucho mayor que la de los suelos
– El conocimiento de la densidad es importante en
ingeniería y minería ya que tiene relación directa con
la resistencia
– Existe una buena correlación entre la densidad
específica y:
la resistencia
la velocidad de transmisión de ondas
algunas constantes elásticas
11

12. 24/03/2008
Densidad
σC
σT
Relación entre la densidad específica y la resistencia a la
compresión y a la tracción
Densidad
vL vS vB
Relación entre la densidad específica y la velocidad de transmisión
de ondas
12

13. 24/03/2008
Densidad
E ν
Relación entre la densidad específica y las constantes elásticas
Densidades de rocas y minerales (kg/m3)
range of density mean density range of density mean density
13

14. 24/03/2008
Velocidad de transmisión de ondas
• Relativamente fácil de determinar, tanto ondas
transversales como longitudinales
• La velocidad de transmisión depende, en teoría,
únicamente de las propiedades elásticas y de la
densidad
• Pero una red de fisuras superpuesta a la roca
matriz tiene un efecto predominante
• Por lo tanto, la velocidad de transmisión de
ondas puede servir como índice del grado de
fisuración de una roca
Velocidad de transmisión de ondas
• Índice de calidad:
Vl
IQ(%) = ×100%
Vl*
– siendo Vl la velocidad real de transmisión de ondas
en la muestra, y Vl∗ la velocidad de transmisión de
ondas de una muestra del mismo material sin poros
ni fisuras.
14

15. 24/03/2008
Velocidad de transmisión de ondas
• Dado que el IQ depende mucho del grado de fisuración, se ha
propuesto un ábaco IQ-porosidad que sirva de base para la
clasificación de una muestra de roca según su grado de fisuración:
Permeabilidad
• Importante en casos prácticos:
– Extracción por bombeo de agua petróleo gas ...
agua, petróleo, gas,
– Almacenaje de residuos en formaciones porosas
– Almacenaje de fluidos en cavernas
– Estimación de la capacidad de retención del agua en
embalses
– Eliminación de agua en cavernas profundas
• La presencia de fis ras altera radicalmente la
fisuras
permeabilidad de la roca matriz obtenida en el
laboratorio necesarios ensayos de bombeo
“in situ”
15

16. 24/03/2008
Durabilidad
• La durabilidad es fundamental en todas las
aplicaciones prácticas en ingeniería
• Las propiedades de la roca se ven alteradas
debido a exfoliación, hidratación, oxidación,
abrasión, etc.
• “Slake durability index”, Id (ensayo de
durabilidad – mide la resistencia a la
disgregación en ciclos d h
di ió i l de humedecimiento)
d i i t )
– Ciclo:
secado en estufa a 105º
200 vueltas en tambor en 10 min
– Se suelen usar dos ciclos
Durabilidad
Tambor de 140 mm
Ensayo de durabilidad de diámetro y 100 mm
de largo
Paredes de un tamiz
de 2 mm de apertura
500 g de roca en 10
piezas
El tambor gira a 20
revoluciones por
minuto durante 10
minutos en un b ñ
i baño
de agua
Se mide el porcentaje
de roca retenida
dentro del tambor
Id = % peso retenido
peso inicial
16

17. 24/03/2008
Resistencia
• La resistencia es una propiedad muy
importante
disponer de un índice de resistencia es de
gran valor
• Ensayo de carga puntual:
– una muestra de roca se carga mediante dos
conos de acero que provocan la rotura al
desarrollarse fisuras paralelas al eje de carga
– probetas cilíndricas de Ø 50 mm, con una
longitud al menos de 1.4 veces el diámetro
Ensayo de carga puntual
Prensa Franklin
17

18. 24/03/2008
Ensayo de carga puntual
Esquema del montaje
Ensayo de carga puntual
• Falta de material adecuado
• Necesidad de gran número de ensayos, a
realizar in situ
• Índice de carga puntual:
P = fuerza necesaria para
Is = P2
romper la muestra
De = diámetro equivalente
De W = anchura media de la
muestra
4 D = distancia entre las
De2 = WD puntas de los conos en el
π
momento de rotura
18

19. 24/03/2008
Ensayo de carga puntual
Correlación entre el índice de carga puntual y la resistencia a la
compresión simple
Ensayo de carga puntual
• Correlaciones:
– B h & F kli (1972) σ c = 24Is
Broch Franklin (1972): 24I
– Brook (1993): T =1,5I
0 s
T =1,5Is
0
donde:
• σc = resistencia a la compresión
• T0 = resistencia a la tracción
19

20. 24/03/2008
Clasificación de los macizos rocosos
Clasificación de Bieniawski
• Rock Mass Rating
• Proporciona un índice RMR, indicador de
la calidad de la roca, que está entre 0 y
100 T =1,5Is
0
• El cálculo del RMR se basa en cinco
parámetros universales:
20

21. 24/03/2008
Clasificación de Bieniawski
1. Resistencia de la roca
Incrementos de RMR para la resistencia
a la compresión de la roca
Resistencia a la
compresión Contribución
simple (MPa)
>200 15
100–200 12
50–100
50 100 7
25–50 4
10–25 2
3–10 1
<3 0
12
Clasificación de Bieniawski
2. Calidad de un testigo perforado
Incrementos de RMR para la calidad
de un testigo perforado
RQD (%) Contribución
91–100 20
76–90 17
51–75 13
25–50
25 50 8
<25 3
RQD: "Rock Quality Designation", es el porcentaje de
longitudes del testigo superiores a dos veces el
diámetro
12+13
21

22. 24/03/2008
Clasificación de Bieniawski
3. Condiciones de agua en el terreno
Incrementos de RMR debidos a las condiciones de agua en el terreno
Presión de agua en
Caudal por cada
las juntas dividida
10 m de longitud de túnel ó ó Condiciones Generales Contribución
por la tensión
(l/min)
principal mayor
0 0 Completamente seco 10
25 0.0–0.2 Húmedo 7
Agua bajo presión
25–125 0.2–0.5 4
moderada
Problemas severos
125 0.5 0
debidos al agua
12+13+7
Clasificación de Bieniawski
4. Separación de juntas y fisuras
Incrementos de RMR para la separación
de juntas del sistema principal
Separación (m) Contribución
>3 30
1–3 25
0.3–1 20
0.005–0.3
0 005 0 3 10
<0.005 5
12+13+7+10
22

23. 24/03/2008
Clasificación de Bieniawski
5. Características de las juntas (1)
Incrementos de RMR para la orientación de las juntas
Apreciación de la Contribución
Contribución
influencia de la para
para túneles
orientación cimentaciones
Muy favorable 0 0
Favorable -2 -2
Moderada -5 -7
Desfavorable -10 -15
Muy desfavorable -12 -25
12+13+7+10-15
Clasificación de Bieniawski
5. Características de las juntas (2)
Incrementos de RMR para las condiciones de las juntas
Descripción Contribución
Superficies muy rugosas de extensión limitada;
25
roca dura
Superficies ligeramente rugosas; apertura menor a
20
1 mm; roca dura
Superficies ligeramente rugosas; apertura menor a
12
1 mm; roca blanda
;
Superficies lisas, ó con relleno de 1–5 mm, ó
apertura de 1–5 mm; juntas de varios metros de 6
longitud
Juntas abiertas rellenas con más de 5 mm, ó
apertura mayor de 5 mm; juntas de varios metros 0
de longitud
12+13+7+10-15+12=39
23

24. 24/03/2008
Clasificación de Bieniawski
Clasificación geomecánica
Descripción del
Clase RMR
macizo rocoso
I Roca muy buena 81–100
II Roca buena 61–80
III Roca aceptable 41–60
IV Roca mala 21–40
V Roca muy mala 0–20
Contribución=39
Comportamiento mecánico
24

25. 24/03/2008
Modos de rotura en roca
flexión
tracción
directa
cortante
compresión + tracción +
cortante
Modos de rotura en roca
cristal metal roca: no lineal
fluencia
frágil de transición dúctil
25

26. 24/03/2008
Comportamiento mecánico de la
roca matriz
• Preparación de las p obetas
epa ac ó as probetas
– extracción del testigo
– corte de las caras
– refrentado mecánico
• Ensayos:
– compresión simple
– tracción
– triaxial
– corte
Planos débiles en rocas
26

27. 24/03/2008
27

28. 24/03/2008
28

29. 24/03/2008
29

30. 24/03/2008
30

31. 24/03/2008
Introducción
• Roca: material real muy distinto del que
desearíamos elegir para un t t i t
d í l i tratamiento
matemático tipo "medio continuo"
• Medio heterogéneo y casi siempre
discontinuo
• Discontinuidades: naturales o inducidas
artificialmente (excavaciones, voladuras,
reajuste de tensiones,...)
Introducción
• Juntas:
– Fisuras aproximadamente planas y paralelas
entre sí, con separaciones del orden de
centímetros hasta decenas de metros
– Una familia de juntas paralela a los planos de
sedimentación, más dos familias en otras
direcciones.
di i
– Rocas ígneas o metamórficas pueden tener
tres o más familias de juntas
31

32. 24/03/2008
Introducción
Tipos de familias de fisuras:
(a) esferoidal en andesitas
(b) poligonal en basaltos
(c) poligonal en calizas
(d) regular en granitos
(e) regular en areniscas y lutitas
(f) caótico en doleritas y otras rocas
ígneas.
Introducción
Pequeñas juntas cruzadas y una
discontinuidad larga
Superficie de fractura de gran
longitud, formada por la unión de
pequeñas juntas individuales
32

33. 24/03/2008
Introducción
Fisuras discretas (S) y distribuidas (M): cada tipo requiere un estudio diferente
Introducción
• Planos “débiles”:
– debilitan el macizo rocoso
– el macizo rocoso es más deformable
– anisotropía:
se reduce la resistencia al corte y se aumenta la
permeabilidad en los planos débiles
se aumenta la compresibilidad y se disminuye la
resistencia a la tracción en la dirección
perpendicular a los planos débiles
33

34. 24/03/2008
Discontinuidades
• Discontinuidad: es un término colectivo que
indica cualquier corte (fisura grieta …) en el
(fisura, grieta, )
macizo rocoso con resistencia a la tracción nula
o muy baja:
– Todo tipo de fracturas
– Diaclasas
– Planos de estratificación (débiles)
– Fallas
– Zonas de contacto entre distintas formaciones
geológicas
– Zonas de concentración de esfuerzos de corte
Discontinuidades
• Caracterización de las discontinuidades:
– Orientación
– Separación
– Apertura
– Continuidad (persistencia)
– Características de las superficies de contacto
34

35. 24/03/2008
Discontinuidades
• Orientación:
– la orientación de las
discontinuidades con
respecto a las cargas
aplicadas puede ser
crítica para la
estabilidad o la
deformabilidad
– filtración de agua
también depende de la
orientación
Discontinuidades
• Apertura y separación:
– apertura: distancia entre las dos caras de una
fractura
– separación: distancia entre dos planos de
discontinuidad de una misma familia
– apertura y separación controlan las propiedades del
macizo en relación al movimiento de agua
– aperturas grandes facilitan el movimiento de agua y
el relleno de las mismas por materiales de aportación
35

36. 24/03/2008
Discontinuidades
• Persistencia:
– indica si la fractura es
“persistente” o está
formada por pequeñas
fracturas unidas por
roca intacta
– una fractura
persistente es más
deformable y débil que
las pequeña unidos por
puentes de roca
Discontinuidades
• Características de las superficies de contacto:
– las características físicas de las superficies de
contacto son muy importantes para la estabilidad y
deformabilidad del macizo rocoso
rugosidad
ondulación
meteorización
existencia de material de relleno
humedad natural
…
36

37. 24/03/2008
Discontinuidades
(Perfilometro)
0.05 mm
0.05 mm
Obtención de muestras
corte con
sierra
anclajes
preinstalados
resina plástica
de moldeo,
superficie
arcilla
natural de
la junta
JUNTAS NATURALES JUNTAS ARTIFICIALES
37

38. 24/03/2008
Obtención de muestras
perforación
orientada
molde
Resistencia de macizos fracturados
38

39. 24/03/2008
Anisotropía de las rocas
• Materiales anisótropos: sus propiedades
varían en función de la dirección
considerada para su medida
• Rocas → material anisótropo: resistencia,
deformación, etc.
• Causas: distribución aleatoria de las
discontinuidades (fi
di ti id d (fisuras, di l
diaclasas),
)
presencia en bandas de distintos
minerales, alternancias, etc.
Anisotropía de las rocas
Variación de la
resistencia en
función del
ángulo que
forman los planos
de anisotropía
con las tensiones
principales
39

40. 24/03/2008
Anisotropía de las rocas
Mohr-Coulomb: τ β = c + σ β tan ϕ
Sobre el plano de rotura:
σ1 − σ 3
τβ = sin 2 β
2
σ +σ σ −σ
σ β = 1 3 − 1 3 cos 2β
2 2
Condición de rotura sobre el plano β:
2(c + σ 3 tan ϕ )
σ1 ≥ σ 3 +
(1 − tan ϕ tan β ) sin 2β
Evaluación de la seguridad en rocas fisuradas
• Factor de seguridad: ¿cómo definirlo?
máxima carga externa posible
λE =
carga real aplicada
– multiplicador de la carga
– no es muy realista (la presión hidrostática no
presenta incertidumbre)
– es la definición tradicional
– expresa la capacidad de aguantar cargas externas
Factor de Seguridad = min{λE}
para todos los mecanismos de rotura
40

41. 24/03/2008
Evaluación de la seguridad en rocas fisuradas
• Factor de seguridad: ¿cómo definirlo?
resistencia al corte
λϕ =
tensión de corte real aplicada
– incluye la incertidumbre de los parámetros resistentes
(c, φ, …)
– más realista
Factor de Seguridad = min{λφ}
para todos los mecanismos de rotura
Evaluación de la seguridad en rocas fisuradas
• ¿Qué necesitamos?
1) análisis tensional incluyendo peso propio y,
además, estudio por separado de cada uno
de los sistemas de carga externa
2) un mecanismo de rotura específico para una
dirección determinada de deslizamiento, y la
,
distribución de tensiones en los planos
débiles que definen la superficie de
deslizamiento
41

42. 24/03/2008
El caso de la presa de Canelles
• Canelles es una presa bóveda de 140 m
de lt
d altura en el río N
l í Noguera Rib
Ribagorzana
• La cimentación consiste en rocas calizas
fisuradas
– familia principal de diaclasas verticales
p
paralelas al valle
– discontinuidades formadas por planos de
estratificación con buzamiento de 45º aguas
arriba
El caso de la presa de Canelles
planos de familia
estratificación principal
42

43. 24/03/2008
El caso de la presa de Canelles
El caso de la presa de Canelles
43

44. 24/03/2008
Gracias
G i
44