Este documento trata sobre las características del macizo rocoso. Explica las discontinuidades en las rocas, las formas de rotura en taludes rocosos, clasificaciones geomecánicas como el RQD e índices RMR y Q, la deformabilidad del macizo mediante ensayos estáticos y dinámicos, y criterios de rotura como Mohr-Coulomb y Hoek-Brown.

1. TEMA 5:
EL MACIZO ROCOSOEL MACIZO ROCOSO
5.1 Características de la discontinuidades
5.2 Formas de rotura en los taludes rocosos
5.3 Clasificaciones geomecánicasg
5.4 Deformabilidad del macizo rocoso
5 5 Resistencia de las discontinuidades5.5 Resistencia de las discontinuidades
5.1. Características de discontinuidades
• Orientación y número de discontinuidadesOrientación y número de discontinuidades
• Frecuencia o espaciado de las juntas (distancia entre dos discontinuidades)
• Grado de apertura o separación (abierto o cerrado)
• Extensión, persistencia, continuidad, p ,
• Rugosidad o textura superficial (pulida, lisa o rugosa) y
relleno (sin o con relleno, tipo de relleno)

2. Orientación de discontinuidades:
5.2. Formas de rotura en taludes rocosos
• Roturas planas, “plane” (a)
según juntas predominantes y/o continuas quesegún juntas predominantes y/o continuas que
buzan hacia el talud.
• Roturas en cuña, “wedge” (b)
ú d j t d dif t f ilisegún dos juntas de diferentes familias cuya
intersección buce hacia el talud.
• Roturas por vuelco, “toppling” (c)p , pp g ( )
según una familia de juntas predominantes y/o
continuas que buzan contra el talud y cuyo rumbo
es casi paralelo al de la cara del talud.
• Roturas globales (tipo suelo)
según superficies que pueden desarrollarse
parcialmente a lo largo de juntasparcialmente a lo largo de juntas.

3. Rotura plana
Rotura en cuña (Andorra)

4. Roturas por vuelco : BC, Canada
Roturas por vuelco : Barcelona

5. 5.3. Clasificaciones geomecánicas
C t í ti bj tiCaracterísticas y objetivos:
• proporcionar una evaluación geomecánica global del macizo
rocoso a partir de observaciones en el campo y ensayos sencillos
• estimación de la calidad del macizo rocoso (y de los parámetros
de resistencia)
• definir las necesidades de sostenimientos
Metodología general:Metodología general:
• se intenta dividir el macizo en grupos de comportamiento similar
Índice de calidad de las rocas, RQD
“ k lit d i ti ” D t l (1967)“rock quality designation” Deree et al. (1967)
• Se basa en la recuperación modificada de un testigo
(El porcentaje de la recuperación del testigo de un sondeo)( p j p g )
• Depende indirectamente del número de fracturas y del grado
de la alteración del macizo rocoso
10cm)sfragmentoΣ(longitud 
( ) lid d d
x100
radaotal_perfolongitud_t
10cm)s__fragmentoΣ(longitud
RQD


RQD (%) Calidad de roca
< 25 muy mala
25 - 50 mala
50 - 75 regular
75 - 90 buena
90 - 100 excelente
 Formula alternativa (cuando no hay sondeos):
RQD = 115 – 3 3J para J > 4 5RQD 115 3.3Jv para Jv > 4.5
RQD = 100 para Jv ≤ 4.5
Jv : numero de juntas identificadas en el macizo rocoso por m3

6. RQD en sondeos
Clasificación de Bieniawski (R.M.R.)
“rock mass rating” Z T Bieniawski (1979)rock mass rating Z. T. Bieniawski (1979)
Se valora una serie de parámetros:
• Resistencia del material intacto valor máximo = 15
(ensayo carga puntual o compresión simple)
• R.Q.D. valor máximo = 20
• Distancia entre las discontinuidades valor máximo = 20Distancia entre las discontinuidades valor máximo 20
• Condición de las discontinuidades valor máximo = 30
• Agua subterránea valor máximo = 15
RMR = (1) + (2) + (3) + (4) + (5)
Clasificación de RMR (oscila entre 0 y 100):
Clase Calidad de roca RMR
I muy buena 81 100
( y )
I muy buena 81 – 100
II buena 61 – 80
III regular 41 – 60
IV mala 21 – 40
Relación entre RMR y propiedades
geomecánicas:
V muy mala 0 - 20
geomecánicas:
c = 5*RMR (kPa)
fi = 5 + (RMR/2) ( º)

7. Clasificación adaptada de Bieniawski para taludes
(SMR) “slope mass rating” M Romana Ruiz (1992)(SMR) slope mass rating M. Romana Ruiz (1992)
Factor de ajuste de las juntas
F1: depende del paralelismo entre el rumbo de las juntas y de la cara delF1: depende del paralelismo entre el rumbo de las juntas y de la cara del
talud.
F2: depende del buzamiento de la junta en la rotura plana.
F3: refleja la relación entre los buzamientos de la junta y el talud.3 j j y
Factor de ajuste según el método de excavación
F4: establecido empíricamente
SMR = RMR + (F1 * F2 * F3) + F4
Relación entre el índice SMR y la estabilidad del talud:y
SMR Estabilidad
100-81 Totalmente estable
80-61 Estable
60-41 Parcialmente estable
40-21 Inestable40 21 Inestable
< 20 Totalmente inestable

8. Índice Q de Barton (rock mass quality)
Barton et al. 1974
Se hace una valoración con un índice Q a partir de valores de diferentes
parámetros:
JJRQD wr
SRF
J
J
J
J
RQD
Q w
a
r
n

RQD Índice de calidad de la roca
Jn número de familias
Jr coeficiente de rugosidad de la junta
Ja coeficiente de alteración de la junta
J coeficiente reductor por la presencia de aguaJw coeficiente reductor por la presencia de agua
SRF factor reductor por tensiones en el macizo rocoso
Q (rock mass quality) valoraciónQ (rock mass quality) valoración
0.001 – 0.01 excepcionalmente mala
0.01 – 0.1 extremadamente mala
0.1 – 1.0 muy mala0.1 1.0 muy mala
1.0 – 4 mala
4 – 10 regular
10 – 40 buena
40 – 100 muy buena
100 – 400 extremadamente buena
400 - 1000 excepcionalmente buena

9. Jn número de familias valor
Roca masiva 0.5 – 1
Una familia de juntas 2
JJRQDId. con otras juntas ocasionales 3
Dos familias de juntas 4
Id. con otras juntas ocasionales 6
Tres familias de juntas 9
SRF
J
J
J
J
RQD
Q w
a
r
n

Id. con otras juntas ocasionales 12
Cuatro o más familias, roca muy fracturada 15
Roca triturada 20
Jr coeficiente de rugosidad de la junta valor
Juntas (contacto entre las dos caras)
Discontinuas 4
O d l d 3 J coeficiente de alteración de la junta valorOnduladas, rugosas 3
Onduladas, lisas 2
Onduladas, perfectamente lisas 1.5
Planas, rugosas o irregulares 1.5
Pl li 1
Ja coeficiente de alteración de la junta valor
Juntas (sin minerales de relleno intermedios)
Juntas de paredes sanas 0.75 – 1
Ligera alteración 2
Alteraciones arcillosas 4Planas, lisas 1
Planas y perfectamente lisas 0.5
Juntas rellenas
(relleno impide contacto entre las dos caras)
t i l ill 1
Alteraciones arcillosas 4
Juntas
(minerales de relleno en pequeño espesor)
Con partículas arenosas 4
Con minerales arcillosos no blandos 6material arcilloso 1
Material arenoso, de grava o triturado 1
Con minerales arcillosos no blandos 6
Con minerales arcillosos blandos 8
Con minerales arcillosos expansivos 8 – 12
Juntas
(minerales de relleno en gran espesor)(minerales de relleno en gran espesor)
Con roca triturada/desintegrada y arcilla 6 – 12
Con zonas de arcilla limosa o arenosa 5
Con zonas de arcillosos (espesor grueso) 10 - 20
Brecha de falla (Castellón)

10. Plano de falla con estrías (Castellón)
Falla con relleno arcillosoFalla con relleno arcilloso
(Reus)

11. Jw coeficiente reductor por la presencia de agua valor
Excavaciones secas o con <5 l/min localmente 1
Afluencia media con lavado de algunas juntas 0 66 JJRQD wrAfluencia media con lavado de algunas juntas 0.66
Afluencia importante por juntas limpias 0.5
Id. Con lavado de juntas 0.33
Afluencia excepcional inicial, decreciente con el tiempo 0.2 – 0.1
Id mantenida 0 1 0 05
SRF
J
J
J
J
RQD
Q w
a
r
n

Id. mantenida 0.1 – 0.05
SRF Valor
Z débil i t t l ióZonas débiles intersectan a la excavación:
Multitud de zonas débiles o milonitos 10
Zonas débiles aisladas, con arcilla o roca
descompuesta (cobertura  50 m)
5
Id b 50 2 5Id. con cobertura > 50 m 2.5
Abundantes zonas débiles en roca competente 7.5
Zonas débiles aisladas en roca competente
(cobertura  50 m)
5
Id. con cobertura > 50 m 2.5
Roca competente (problemas tensionales en las rocas)
Pequeña cobertura 2.5
Cobertura media 1
Gran cobertura 0.5 – 2
Rocas deformables (flujo plástico de roca)
Con bajas presiones 5 – 10
Con altas presiones 10 – 20
Rocas expansivas
Con presión de hinchamiento moderada 5 – 10
Con presión de hinchamiento alta 10 - 15
Índice de resistencia
geológica (GSI)geológica (GSI)
Hoek & Brown (1994)

12. Corneanas fractruadas (Andorra)
Calizas fractruadas (Tarragona)

13. 5.4. Deformabilidad del macizo rocoso
Ensayos “in situ” de la deformabilidad
Existen dos tipos de métodos básicos para determinar la deformabilidad
de los macizos rocosos (aplicando la ley de la elasticidad):
Métodos estáticos
(ensayos de compresión con gatos / placas de carga)
 Módulo de deformación estático E Módulo de deformación estático, Eest
Módulo de deformación “in-situ”
Métodos dinámicosMétodos dinámicos
(ensayos con ondas de sonido)
 Módulo de deformación dinámico, Edin
Métodos estáticos
(ensayos de compresión con gatos / placas de carga)(ensayos de compresión con gatos / placas de carga)
)1(P 2



rEest
o

 
wo: desplazamiento normal de la superficie
P: carga normal concentradaP: carga normal concentrada
: Coeficiente de Poisson
Eest: Módulo de deformación “in-situ”
r: radio de la placa

14. Métodos estáticos
Relación entre el Módulo de deformación estático y RMRRelación entre el Módulo de deformación estático y RMR
Eest = 2· RMR - 100 para RMR > 50est 00 pa a 50
según Bieniawski (1979)
E = 10(RMR – 10)/40 para RMR < 50Eest 10( ) para RMR < 50
según Serafim y Pereira (1983)
Ensayo con ondas de sonido
• El Módulo de elasticidad (deformación dinámica) se deduce de
la velocidad de propagación de ondas sísmicasla velocidad de propagación de ondas sísmicas
• Se aplica ondas longitudinales (de compresión, p) y ondas
transversales (de corte, s)
2
1
din
long
)21)(1(
)1(E
v 










v : velocidad de ondas longitudinales
2
1
dinE
v
)21)(1(




   vlong: velocidad de ondas longitudinales
vtrans: velocidad de ondas transversales
Edin: Módulo de elasticidad / deformación dinámica
: Coeficiente de Poisson
trans
)1(2
v 


 

 : densidad del material

15. Ensayo con ondas de sonido
Evaluación de Eest con ondas sísmicas:
Schneider (1967) y Bieniawski (1978) proponen:
E = 0 054·ft – 9 2Eest = 0.054 ftrans 9.2
Eest : Módulo (estático) de deformación “in situ” (en GPa)
ftrans: frecuencia de las ondas transversales (en Hz)trans ( )
Módulo de deformación “in situ” (estático) 
Eest (GPa)
( )
Módulo de deformación dinámico
5.5. Resistencia del macizo rocoso
Criterios de rotura para macizos rocosos
Criterio de Mohr CoulombCriterio de Mohr-Coulomb
= c’ + n’ tg ’
 : resistencia al corte
c’ : cohesión del macizo rocoso
n‘ : tensión normaln : tensión normal
‘ : ángulo de fricción interna
Criterio de Hoek y Brown
3
1 3 m s

    
1 y 3: tensiones principales mayor y menor en rotura
1 3 c
c
m s  

 
c : resistencia a compresión simple (roca matriz)
m y s : constantes (dependen del macizo rocoso: GSI o RMR)

16. Resistencia de las discontinuidades
Resistencia al corte / cizalla
Esquema de ensayos:
n
Esquema de ensayos:
“in-situ”
De laboratorio


 : tensión tangencial
n
 : tensión tangencial
n : tensión normal
Resistencia de las discontinuidades
La resistencia al corte de las discontinuidades depende de:
• Rugosidad
C t ió h ió• Cementación-cohesión

17. Resistencia de las discontinuidades
Efecto de:
• Cementación-cohesión
Resistencia al corte en discontinuidades planas

p
rotura / pico
discontinuidad cementada
Ley de Mohr-Coulomb:
Tensión máxima (pico)
res
residual
discontinuidad no cementada

Tensión residual (c = 0):
Resistencia de las discontinuidades
Efecto de:
• Rugosidad
Dilatancia:
Desplazamientos tangenciales y
normales durante un corte directonormales durante un corte directo

18. Resistencia de las discontinuidades
Método de Patton: (influencia de la rugosidad)
 =  + ip = b + i
b : ángulo de fricción básico de la discontinuidad (20-40º)
i á l f l i l id d l l d di i id d (0 40º)i: ángulo que forma la irregularidad con respecto al plano de discontinuidad (0 – 40º)
Existen dos diferentes
tipos de i:
• primer orden
• segundo ordensegundo orden
Resistencia de pico
(considerando c = 0):
p = n
’ tan (b + i)

19. Resistencia de las discontinuidades
Método de Barton y Choubey : (criterio no-lineal)




 JCS













n
rn
JCS
JRC

 10logtan
r : ángulo de fricción residual
JRC: coeficiente de rugosidad de la junta (puede ser 0 si la junta es plana y lisa)g j (p j p y )
= (joint roughness coefficient)
JCS: la resistencia a la compresión simple de las paredes de la discontinuidad
= (joint wall compression strength)(j p g )
Resistencia de la discontinuidad depende de tres componentes:Resistencia de la discontinuidad depende de tres componentes:
•una componente friccional (r )
•una componente geométrica (JRC)
•una componente de “asperidad” (JCS/n )n
Además: r y JCS dependen del grado de meteorización