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7/25/2019 02_Geología. Elaboración de texto, libro de prácticas o guía.pdf

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CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN A LA GEOLOGÍA

La geología, de las palabras griegas geo y logos , se define como el estudio de la Tierra.

Por lo general se divide en dos amplias áreas: geología física y geología histórica. Lageología física es el estudio de los materiales de la Tierra; estudia los minerales y lasrocas, así como los procesos que operan dentro y sobre la superficie de la Tierra. Lageología histórica trata del origen y la evolución de la Tierra, sus continentes, océanos,atmósfera y la vida.

La disciplina de la geología es tan amplia que se subdivide en muchos campos oespecialidades diferentes. La tabla 1.2 muestra diversos campos de la geología y susrelaciones con otras ciencias como la astronomía, la física, la química y la biología.

ESPECIALIDADES DE LA GEOLOGÍA Y SU AMPLIA RELACIÓN CON LAS OTRAS CIENCIAS

ESPECIALIDAD ÁREA DE ESTUDIO CIENCIA RELACIONADAGeocronología Tiempo e historia de la tierra AstronomíaGeología planetaria Teología de planetasPaleontología Fósiles BiologíaGeología económica Recursos minerales y energéticosGeología ambiental Medio ambienteGeoquímica Química de la tierra QuímicaHidrogeología Recursos acuíferosMineralogía MineralesPetrología RocasGeofísica Interior de la tierraGeología estructural Deformación de las rocas Física

Sismología TerremotosGeomorfología Formas de la tierraOceanografía Océanos

PaleogeografíaCaracterísticas y ubicaciones geográficasantiguas

Estratigrafía Rocas y sedimentos en estratosTABLA 1.2

Casi todo aspecto de la geología tiene alguna relevancia económica o ambiental. Muchosgeólogos se dedican a la exploración de recursos minerales y energéticos; utilizan suconocimiento especializado para localizar los recursos naturales en los cuales se basanuestra sociedad industrializada. Conforme aumenta la demanda de estos recursos norenovables, los geólogos están aplicando los principios fundamentales de su ciencia enformas cada vez más adelantadas, en un intento de centrar su atención en áreas de altopotencial para el avance económico.

Aunque localizar los recursos minerales y energéticos es en extremo importante, tambiénse pide a los geólogos que empleen su pericia para tratar de resolver muchos problemasambientales. Algunos geólogos se dedican a buscar agua subterránea para lasnecesidades siempre crecientes de las comunidades e industrias o a inspeccionar lacontaminación de las aguas de superficie y subsuelo, así como a proponer formas de



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limpiarlas. Los ingenieros geólogos ayudan a ubicar lugares seguros para presas,depósitos de desechos y plantas de energía, además de proyectar edificios resistentes alos terremotos. Los geólogos se ocupan también de hacer predicciones corto y largoalcance sobre terremotos y erupciones volcánicas y sobre la destrucción potencial queimplicarían. Además, colaboran con los planificadores de la defensa civil la elaboración de

planes de contingencia para el caso que ocurrieran esos desastres naturales.Como muestra esta breve reseña, hay geólogos empleados en una amplia variedad detareas. Al crecer la población mundial y haber mayor demanda de los limitados recursosdel planeta, se vuelve aun mayor la necesidad de los geólogos y de sus habilidades.

La geología y la experiencia humana

Mucha gente se sorprende de la medida en que dependemos de la geología en nuestravida diaria, así como de las numerosas referencias que se hacen a ella en las artes, lamúsica y la literatura. Las rocas y los paisajes se representan en forma realista en muchosbosquejos y pinturas. Los ejemplos de artistas famosos incluyen La virgen de las rocas yLa Virgen y el Niño con Santa Ana, de Leonardo da Vinci; San Francisco en éxtasis y SanJerónimo de Giovanni Bellini y los Espíritus afines de Asher Brown.

En el campo de la música, la Suite del Gran Cañón, de Ferde Grofe, se inspiro sin dudaen la grandeza e intemporalidad del Gran Cañón de Arizona y sus vastas exposiciones deroca. Las rocas de la isla de Staffa, en las Hébridas Internas, dieron la inspiración para lafamosa obertura Hébridas de Félix Mendelsson.

Abundan las referencias a la geología en los Cuentos alemanes de los hermanos Grimm yen el Viaje al centro de la Tierra, de Julio Verne, se describe una expedición a las entrañasde nuestro planeta. En cierto nivel, el poema "Ozymandias", de Percy B. Shelley, trata elhecho de que nada dura para siempre y hasta la sólida roca se desintegra por los rigoresdel tiempo y la exposición a la intemperie. Incluso en las historietas cómicas (o comics) sehallan alusiones a la geología; de estas, dos de las más conocidas son "B.C." (A. C.), deJohnny Hart, y "The Far Side" (El lado lejano), de Gary Larson.

La geología ha desempeñado también un importante papel en la historia. Ha habidoguerras por el control de recursos naturales como petróleo, oro, plata, diamantes y otrosminerales valiosos. A lo largo de la historia se han levantado y caído imperios por ladistribución y explotación de recursos naturales. La configuración de la superficieterrestre, o su topografía, moldeada por los agentes geológicos, desempeña un papelcrucial en la táctica militar. Las barreras naturales, como las cadenas montañosas y losríos, han servido frecuentemente de fronteras políticas.

Como afecta la geología a nuestra vida cotidiana

Destructoras erupciones volcánicas, devastadores terremotos, desastrosos derrumbes,grandes marejadas, inundaciones y sequías son acontecimientos motivo de encabezadosen la prensa, porque afectan a mucha gente. Aun cuando no podemos prevenir la mayoríade estos desastres naturales, cuanto más sabemos de ellos más capaces somos depredecirlos y posiblemente de controlar la severidad de sus efectos. El movimiento



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tenemos que entender que los cambios provocados en el ecosistema global pueden tenerefectos de amplio alcance de los cuales pudiéramos no estar conscientes. Por esta razón,entender la ecología, y la ciencia en general, puede contribuir a minimizar el cambio delecosistema causado por estas alteraciones. Hemos de recordar, asimismo, que loshumanos, somos parte del ecosistema y, como todas las formas de vida, nuestra sola

presencia afecta a aquel. Debemos, por ende, actuar de manera responsable, basada enconocimiento científico fundado, para que las generaciones futuras hereden un ambientehabitable.

El concepto de desarrollo sostenible ha sido objeto de atención creciente, en particulardesde que tuvo lugar la Conferencia de las Naciones Unidas sobre Ambiente y Desarrolloen Río de Janeiro, Brasil, en el verano de 1992. Este importante concepto vincula lasatisfacción de las necesidades humanas básicas con la salvaguarda de nuestro ambientepara asegurar el desarrollo económico continuo.

Para tener un mundo en el cual no reine la pobreza hemos de desarrollar políticas quealienten la administración de nuestros recursos naturales junto con el desarrolloeconómico continuo. Una población global creciente tendrá una progresiva demanda dealimentos, agua y recursos naturales, en particular recursos minerales y energéticos norenovables. Para satisfacer estas demandas, los geólogos tendrán un importante papel enla tarea de localizar los recursos necesarios, así como de asegurar la protección delambiente para beneficio de las generaciones futuras.

El origen del sistema solar y la diferenciación de la Tierra original

Un acuerdo con la teoría actualmente aceptada que explica el origen del sistema solar,una materia interestelar en un brazo espiral de la galaxia Vía Láctea se condensó yempezó a contraerse. A medida que esta nube se contraía gradualmente por influencia dela gravedad, se aplano y empezó a girar en sentido sinistrógiro (contrario a las manecillasdel reloj), con cerca del 90% de su masa concentrado en la parte central de la nube. Larotación y concentración del material prosiguió y se formo un Sol embrionario, rodeado deuna nube turbulenta y rotatoria de un material llamado nebulosa solar.

La turbulencia de esta nebulosa .solar formo remolinos localizados, en los que secondensaron partículas de gas y sólidas. Durante el proceso de condensación, laspartículas gaseosas, liquidas y sólidas empezaron a aglomerarse en masas cada vezmayores llamadas planetésimos o corpúsculos espaciales, que con el tiempo seconvirtieron en verdaderos cuerpos planetarios. Mientras los planetas estabanaglomerándose, el material que había sido atraído al centro de la nebulosa se condensó,y se contrajo v calentó a varios millones de grados por compresión gravitacional. Elresultado fue el nacimiento de una estrella, nuestro Sol.

Hace unos 4600 millones de años, en uno de los turbulentos remolinos que girabanalrededor del Sol original, acabó por reunirse material suficiente para formar el planetaTierra. Los científicos creen que este cuerpo incipiente estaba mas bien frío, de modo quelos elementos y fragmentos de roca nebulares aglomerados eran sólidos, mas que gaseso líquidos. Se cree que la Tierra original tenía composición y densidad generalmenteuniformes en todas sus partes. Estaba formada principalmente de compuestos de silicio,



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hierro, magnesio, oxígeno, aluminio y pequeñas cantidades de todos los demáselementos químicos. Posteriormente, cuando fue sometida al calentamiento, estacomposición homogénea desapareció y el resultado fue un planeta diferenciado,consistente de una serie de capas concéntricas de composición y densidad diversas. Estadiferenciación, que formó capas en el planeta, es probablemente el acontecimiento más

significativo en la historia de la tierra. No sólo condujo a la formación de una corteza, y ala larga de los continentes, sino fue con toda probabilidad responsable de la emisión degases del interior que, con el tiempo, llevó a la constitución de los océanos y de laatmósfera.

La tierra como planeta dinámico

La Tierra es un planeta dinámico que ha cambiado continuamente durante sus 4600millones de anos de existencia. El tamaño, forma y distribución geográfica de loscontinentes y cuencas oceánicas han variado a través del tiempo, la composición de laatmósfera ha evolucionado y las formas de vida que existen ahora difieren de las quehabía en el pasado. Podemos visualizar con facilidad como se desgastan montanas ycolinas por la erosión y como cambian los paisajes por la acción de las fuerzas del viento,el agua y el hielo. Las erupciones volcánicas y los terremotos revelan un interior active; lasrocas plegadas y fracturadas indican el tremendo poder de las fuerzas internas de laTierra.

Nuestro planeta consta de tres capas concéntricas: el núcleo, el manto y la corteza. Estadivisión ordenada resulta de diferencias de densidad entre las capas en función devariaciones en la composición, temperatura y presión.

El núcleo tiene una densidad calculada de 10 a 13 gramos por centímetro cúbico y ocupaaproximadamente 16% del volumen total de la tierra. Los datos sísmicos (de terremotos)indican que el núcleo consta de un pequeño núcleo interno sólido y un núcleo externomayor, al parecer líquido. Se cree que ambos se componen en su mayor parte de hierro yuna pequeña cantidad de níquel.

El manto rodea el núcleo y comprende cerca de 83% del volumen de la tierra. Es menosdenso que el núcleo y se supone que está compuesto principalmente de peridotita, unaroca ígnea oscura y densa que contiene abundante hierro y magnesio. El manto puededividirse en tres zonas distintas basadas en sus características físicas. El manto inferior essólido y constituye la mayor parte del volumen del interior de la tierra. La astenosferarodea el manto. Tiene la misma composición que el manto inferior, pero sucomportamiento es plástico y fluye lentamente. La fusión parcial dentro de la astenosferaproduce magma (material fundido), parte del cual sube a la superficie por que es menosdenso que la roca de la cual se derivó.

El manto superior rodea la astenosfera. El manto superior y la corteza envolventeconstituyen la litosfera, la cual está fraccionada en numerosas partes individualesllamadas placas que se mueven sobre la astenosfera a causa de la acción de celdas deconvección subyacentes. Las interacciones de estas placas causan fenómenos como losterremotos, las erupciones volcánicas y la formación de cadenas montañosas y cuencasoceánicas.



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La corteza, capa superior de la Tierra, es de dos tipos. La corteza continental es gruesa(20 a 90 km), tiene una densidad promedio de 2.7 g/cm3 y contiene silicio y aluminio encantidad considerable. La corteza oceánica es delgada (5 a 10 km), mas densa (3.0g/cm3) que la continental y se compone de la roca ígnea oscura llamada basalto.

A partir de la extendida aceptación de la teoría de la tectónica de placas hace unos 25anos, los geólogos han visto la Tierra desde una perspectiva global en la que todos sussistemas están interconectados. De esta forma, la distribución de las cadenasmontañosas, los principales sistemas de fallas, los volcanes y los terremotos, el origen denuevas cuencas oceánicas, el movimiento de los continentes y otros procesos geológicosy características se consideran interrelacionados.

La geología y la formulación de teorías

El termino teoría tiene diversos significados. En el uso coloquial significa una visiónconjetural de algo, de aquí la difundida creencia de que las teorías científicas son pocomás que aventuradas conjeturas no respaldadas por hechos. Sin embargo, en el usocientífico, una teoría es una explicación coherente de uno o más fenómenos naturalesrelacionados, apoyada por un gran cuerpo de evidencia objetiva. De una teoría se derivanenunciados predictivos que pueden someterse a prueba por observación oexperimentación con el propósito de evaluar su validez. La ley de la gravitación universales ejemplo de una teoría que describe la atracción entre masas (una manzana y la Tierra,en el popular relato de Newton y su descubrimiento).

Las teorías se formulan mediante el proceso conocido como el método científico. Estemétodo es un planteamiento ordenado, lógico, que consiste en reunir y analizar loshechos o datos acerca del problema que se esta considerando. Para explicar losfenómenos observados se formulan explicaciones tentativas o hipótesis. A continuación,las hipótesis se ponen a prueba para ver si lo que predijeron ocurre realmente en unasituación determinada. Por ultimo, si resulta, después de pruebas repetidas, que una delas hipótesis explica los fenómenos, esta se propone entonces como teoría. Sin embargo,hay que recordar que en la ciencia incluso una teoría esta sujeta aun a pruebas yrefinamiento posteriores, conforme se dispone de nuevos datos.

El hecho de que una teoría científica pueda someterse a prueba y que esté sujeta a talcomprobación separa la ciencia de otras formas de indagación humana. Toda vez que lasteorías científicas pueden ser puestas a prueba, tienen el potencial para ser respaldadas oincluso refutadas. De acuerdo con esto, la ciencia tiene que proceder sin recurrir en modoalguno a creencias o explicaciones sobrenaturales, no porque estas sean necesariamentefalsas, sino porque no tenemos manera de investigarlas. Por esta razón, la ciencia noafirma la existencia o inexistencia de un ámbito sobrenatural o espiritual.

Toda disciplina científica tiene ciertas teorías que son de particular importancia para ella.En geología, la formulación de la teoría de la tectónica de placas ha cambiado la forma enque los geólogos ven la Tierra. Ahora analizan la historia de nuestro planeta en términosde acontecimientos interrelacionados, que son parte de un patrón global de cambio.



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Teoría de la tectónica de placas

La aceptación de la teoría de la tectónica de placas se reconoce ahora como un hitoimportante en las ciencias geológicas. Es comparable con la revolución causada por lateoría de la evolución de Darwin en la biología. La tectónica de placas ha proporcionado

un marco para interpretar la composición, estructura y procesos internos de la tierra aescala global. Ha conducido al convencimiento de que los continentes y las cuencas delos océanos son parte de un sistema litosfera-atmósfera-hidrosfera (la porción de agua delplaneta) que evolucionó junto con el interior de la tierra (tabla 1.3).

TECTÓNICA DE PLACAS Y SISTEMAS DE LA TIERRA

TIERRA SÓLIDALa tectónica de placas es movida por convección en el manto eimpulsa a su vez la formación de montañas y la actividad ígneay metamórfica asociada con ese mecanismo.

ATMÓSFERA

La disposición de los continentes afecta al calentamiento solary al enfriamiento, y por consiguiente a los inventos y a lossistemas del estado del tiempo. La rápida expansión de laplaca y la actividad de los puntos calientes pueden liberardióxido de carbono volcánico y afectar al clima global.

HIDROSFERA

La disposición continental afecta a las corrientes oceánicas. Latasa de expansión afecta al volumen de las dorsalesmesoceánicas y por ende al nivel del mar. La distribución delos continentes puede contribuir al desencadenamiento de erasglaciares.

BIOSFERA

El movimiento de los continentes crea corredores o barreras a

la migración, la creación de nichos ecológicos y latransportación de hábitats a climas más o menos favorables.

EXTRATERRESTRELa disposición de los continentes afecta a la libre circulación delas mareas oceánicas e influye en la disminución mareal develocidad de la rotación de la tierra.

TABLA 1.3

De acuerdo con la teoría de la tectónica de placas, la litosfera se divide en placas que semueven sobre la astenosfera. Las zonas de la actividad volcánica, de la actividad sísmicao de ambas marcan la mayoría de los límites de las placas. A lo largo de estas fronteras,

las placas divergen, convergen o se deslizan lateralmente unas sobre otras.

En los límites de placas divergentes, las placas se separan unas de otras a medida que elmagma sube a la superficie desde la astenosfera. El magma se solidifica para formarroca, la cual se adhiere a la placa que se mueve. Los márgenes de los límites de lasplacas tectónicas divergentes los marcan las dorsales mesoceánicas en la corteza delocéano, como la dorsal mesoatlántica, y son reconocidos por los valles tipo rift, donde seforman nuevos límites por la aparición de grietas en la corteza continental.



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Las placas se mueven una hacia otra en los límites de placas convergentes, en los cualesuna placa se hunde debajo de otra a lo largo de lo que se conoce como una zona desubducción. Conforme la placa penetra en el interior de la tierra, se calienta al grado defundirse total o parcialmente, con lo que genera magma. Al ascender este magma puedehacer erupción en la superficie de la tierra, dando origen a una cadena de volcanes. Los

Andes, en la costa oeste de Sudamérica, son buen ejemplo de una cadena de montañasvolcánicas formada como resultado de la subducción a lo largo de un límite de placasconvergentes.

Los límites de las placas por fallas transformantes son lugares donde las polacas sedeslizan lateralmente una más allá de otra. La falla de San Andrés, en California, es unlímite de placa transforme que se para la placa del pacífico de la Norteamericana. Laactividad sísmica a lo largo de la falla de San Andrés resulta del movimiento de la placadel pacífico hacia el norte en relación con la placa Norteamericana.

La teoría de la tectónica de placas, concepto que fue revolucionario cuando se propuso enlos años 1960, ha tenido consecuencias significativas y de largo alcance en todos loscampos de la geología, porque provee la base para relacionar muchos fenómenosaparentemente inconexos. Además de ser responsables de las principales característicasde la corteza terrestre, los movimientos de las placas afectan también a la formación yreparto de los recursos naturales de la Tierra, así como a la distribución y evolución de labiota del planeta.

El impacto de la teoría de la tectónica de placas ha sido particularmente notable en lainterpretación de la historia de la Tierra. Por ejemplo, los monjes Apalaches enNorteamérica oriental y las Serranías de Groenlandia, Escocia, Noruega y Suecia no sonresultado de episodios aislados de generación montañosa, sino mas bien parte de unacontecimiento mayor de creación de montañas relacionado con el cierre de un antiguo"océano Atlántico" y con la formación del supercontinente Pangea hace unos 245 millonesde años.



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CAPÍTULO 2

PROPIEDADES FÍSICAS DE LA TIERRA

ESTRUCTURA INTERNA DE LA TIERRA

La sismología es la ciencia que estudia todo lo referente a los sismos. El estudio de lasondas sísmicas es importante por que además de que de ellas depende el tipo de dañosque causa un sismo, nos dan información acerca de lo que esta ocurriendo en la fuente ydel medio material que han atravesado. El punto donde comienza la ruptura se llama hipocentro, el punto de la superficie terrestre localizado inmediatamente arriba de él sellama epicentro. Se llama foco sísmico al hipocentro y la zona de ruptura, donde ocurrióla liberación de energía del sismo. Los sismos se consideran someros, si ocurren a unaprofundidad menor de 60 Km.; profundos, si ocurren a más de 300 Km. de profundidad, yde profundidad intermedia en el resto de los casos. A veces se emplea el términoprofundidad normal para indicar entre 30 y 60 Km.

Ondas elásticas.- es una deformación que viaja a través de un medio elástico se llama“onda elástica” y cuando el medio a través del cual se desplaza es la tierra se llama“onda sísmica”. La onda sísmica deforma el terreno a través del cual pasa, lo cual indicaque puede hacer trabajo y por lo tanto, corresponde a energía elástica que se desplaza.En el caso de ondas generadas por explosiones la energía es el producto de lasreacciones químicas o nucleares que causaron la explosión, en el caso de ondasgeneradas por sismos que estaba almacenada como energía de deformación de lasrocas.

ONDAS DE CUERPO.- La teoría de la elasticidad nos dice que son dos posibles tipos de

ondas elásticas que viajan a través de la tierra y que son conocidas como ondas decuerpo u ondas internas, las cuales pueden ser compresionales o de cizalla.

ONDAS “P”.- Son ondas compresionales que se transmiten cuando las partículas delmedio se desplazan en la dirección de la propagación, produciendo compresiones ydilataciones en el medio. Esta es la mas veloz de todas las ondas sísmicas (más de5Km/seg., en las rocas graníticas cercanas a la superficie y alcanzar mas de 11km/seg.,en el interior de la tierra) y por lo tanto es la primera en llegar a cualquier punto, en sersentida y en ser registradas en los sismógrafos por lo que llamo onda primaria y de ahí elnombre de “P” (en ingles se asocia también con push que significa empujón o empujar).

ONDAS “S”.- Son las ondas de corte o de cizalla, llamadas ondas “S”, son aquellas enlas cuales las partículas del medio se desplazan perpendicularmente a la dirección de lapropagación por lo que están asociadas con deformaciones de terreno tipo cizalla. Laonda ―S‖ es más lenta que la onda ―P‖. En una amplia gama de rocas su velocidad, Vs esaproximadamente igual a la velocidad de la onda Vp, dividida entre 3 (esto es conocidocomo condición de POISSON). Como la onda ―S‖ es la segunda en llegar se le llamosecundaria de ahí su nombre (en ingles se asocia con shake, que significa sacudir).Como líquidos no pueden soportar esfuerzos cortantes, las ondas ―S‖ no se propagan através de ellos. Usualmente la onda ―S‖ tiene mayor amplitud que la onda ―P‖ y se sientemás fuerte.



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ONDAS SUPERFICIALES.- Además de las ondas que viajan a través del terreno, existenotras que lo hacen por la superficie, esto es su amplitud es máxima, es esta nula en lasgrandes profundidades. Estas ondas pueden explicarse como causadas por lainterferencia de las ondas de cuerpo (interacción de muchas de estas ondas que viajan endiferentes direcciones) y son mas lentas que estás.

ONDAS RAYLEIGH.- estas son denotadas usualmente por “R” o “LR” cuando son deperiodo muy largo, se deben a la iteración entre las ondas ―P‖ y las ―SV‖, y el movimientode cada partícula del terreno al paso de la onda se da en forma de elipse retrograda. Sonlas ondas más lentas con velocidades de grupo (la velocidad con que viaja la energía queva de 1 a 4 Km. /seg.).

ONDAS DE LOVE.- (En ingles LOVE WAVES, lo que se presta a infinidad de chistes) sonlas denotadas usualmente por “L” o “G” o “LQ” si son de periodo muy largo secomportan de manera muy parecida a la descrita por las ondas Ralyleigh, pero se debena interferencia constructiva de ondas SH solamente, por lo que no pueden existir en unsemiespacio, si no que requieren al menos una capa sobre un semiespacio, donde puedaquedar atrapada parte de la energía sísmica. Aunque mas lentas que las ondas decuerpo, las ondas de Jove tiene de 1 a 4.5 Km/seg., son mas veloces que las deRalyleigh.

La tierra esta estratificada de tal forma que presenta en su exterior una especie decáscara que se denomina Corteza (litosfera), esta capa no constituye una sola pieza,sino varias independientes entre si, son aproximadamente doce piezas conocidas comoplacas tectónicas. Su aspecto es de mosaicos o partes de rompecabezas que cubren lasuperficie, ajustan perfectamente entre ellas y tiene movimientos relativos que lespermiten cambiar de forma a lo largo del tiempo geológico. La corteza de capa externa ycomparativamente fina de la tierra cuyo grosor oscila entre 20 Km. debajo de los océanosy 60 Km. debajo de los continentes (los Himalaya).

EL MANTO.- Capa rocosa y sólida que se extiende hasta una profundidad de unos 2885Km. Mas del 82% del volumen de la tierra esta contenido en el manto, una envoltura deunos 2900 Km. de grosor. El limite entre la corteza y el manto refleja un cambio decomposición. Aunque el manto se comporta como un sólido cuando transmite las ondassísmicas, las rocas del manto son capaces de fluir a una velocidad increíblemente lenta.El manto se divide en manto inferior o mesosfera, que se extiende desde el límite Núcleo-manto, hasta una profundidad de 660 Km.; y el manto superior que continua hasta la basede la corteza.

El núcleo representa la mayor parte de la masa total de la tierra, su radio mideaproximadamente 3470 Km. Se compone de dos partes fundamentales, el núcleo internoy el externo, este último esencialmente liquido en todas las escalas del tiempo. El núcleoesta compuesto fundamentalmente de hierro, con cantidades menores de níquel y otroselementos. A la presión extrema del núcleo, este rico en hierro tiene una densidad mediade alrededor de 11g/cm3 y se aproxima a 14 veces la densidad del agua en el centro dela tierra.



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El núcleo interno y el externo son similares desde el punto de vista de su composición; sudivisión se basa en sus diferentes estados. El núcleo externo es líquido capaz de fluir. Lacirculación dentro del núcleo externo de nuestro planeta en rotación genera el campomagnético de la tierra. El núcleo interno, a pesar de su temperatura más elevada, secomporta como un sólido. La composición del núcleo es conocida por los testimonios de

estudios indirectos.


CORTEZA

DISCONTINUIDADDE WIECHERT

DISCONTINUIDADDE GUTEMBERG

MANTO

NUCLEOEXTERIOR

NUCLEOINTERIOR

DISCONTINUIDADDE MOHOROVICK



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Visión de la estructura en capas de la tierra. A. El núcleo interno y el manto están dibujados a escala, pero el grosor de la corteza se ha

exagerado unas 5 veces. B. Ampliación de la corteza externa de la tierra. Muestra los dos tipos de corteza (oceánica, continental), lalitosfera rígida y la Astenósfera blanda.



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ESTRUCTURA DE LA TIERRA

Profundidades

Velocidad porcentajeDe ondas del Vol.

Densidad10

Kg./m

PresiónKl. lb.

Posible naturaleza

Zonas y dis-continuidades

hasta los limites (Km.)

Sísmicas total de la

(Km-1) tierra

P S

Temperaturaen C

Naturaleza de lasregiones

de las superficieslimitantes o interfases

CORTEZA (sial) Promedio conti-nental.33 Cordille-

5 Sólida yheterogéneos conti-

Discontinuidad ras. 65 a 2.7 nentes: graníticos de Conrad Oceánico (desde 6.5 3.5 1-55 400 2.8 Océanos basálticos

CORTEZA (Sima)Discontinuidad deMohorovicic

el nivel del mar) 10-11 6.9 2.9 9 Cambio químico

desde basalto porencima, hastapendolita, por

MANTO SUPERIOR 8.1 4.7 600-1.000 3.3 varios tipos deperidotita

debajo.

50

Capa de baja 7.8 Peridotita velocidad, fundida

parcialmente MANTO 250 8.1 4.7 82.25 SUPERIOR

Peridotita con Cambio de fase MANTO INFERIOR 1.000 10.7 4.3 270 minerales de alta

densidad

hacia minerales de

alta densidad. 1.500-5500

Discontinuidad delGutemberg

2.900 13.6 7 8.1

5.7 1368 Cambio del manto desilicato al

NÚCLEO 9.7 núcleo metálico EXTERNO 10.3 Probablemente

aleaciones de

Discontinuidad deWiechert o Lehmann

5.100

11.8 3.160 hierro y níquelLíquido

Cambio de fase deliquido a sólido

NÚCLEO INTERNOCENTRO. 6.371

11.2 6000 14

16 3.3003.600

Hierro-níquel Sólido Zona de transición deaproximadamente 100

Km.



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EL CICLO DE LAS ROCAS

El ciclo de las rocas nos permite examinar muchas de las interrelaciones entre lasdiferentes partes del sistema tierra. Nos ayuda a entender el origen de las rocas ígneas,sedimentarias y metamórficas, y a ver que cada tipo este vinculado a los otros por los

procesos que actúan sobre y dentro del planeta.El magma es el material fundido que se forma en el interior de la tierra. El magma acabapor enfriarse y solidificarse. Este proceso llamado cristalización, puede ocurrir debajo dela superficie terrestre o después de una erupción volcánica, en la superficie. En cualquierade las dos situaciones, las rocas resultantes se denominan rocas ígneas.

Si las rocas ígneas afloran en la superficie experimentan meteorización, en la cual laacción de la atmósfera descompone y desintegra lentamente las rocas. Los materialesresultantes pueden ser desplazados pendiente abajo por gravedad antes de ser captadosy transportados por algún agente erosivo: aguas superficiales, glaciares, viento u olas. Porfin estas partículas y sustancias disueltas, denominadas sedimentos, son depositadas.

Aunque la mayoría de los sedimentos acaban llegando al océano, otras zonas deacumulación son las llanuras de inundación de los ríos, los desiertos, los pantanos y lasdunas.

A continuación los sedimentos experimentan litificación, un término quesignifica―conversión en roca‖. El sedimento suele mitificarse dando lugar a una rocasedimentaria cuando es compactado por el peso de las capas suprayacentes o cuandoes cementado conforme el agua de infiltración llena los poros con material mineral.

Si la roca sedimentaria resultante se entierra profundamente dentro de la tierra einterviene en la dinámica de formación de montañas, o si es intrusionada por la masa delmagma, estará sometida a grandes presiones o a un calor intenso, o ambas cosas. Laroca sedimentaria reaccionara ante el ambiente cambiante y se convertirá en un tercertipo de roca, una roca metamórfica. Cuando la roca metamórfica es sometida a cambiosde presión adicionales o a temperaturas mayores, se fundirá creando un magma, queacabará cristalizando en rocas ígneas.

Los procesos impulsados por el calor desde el interior de la tierra son responsables de lacreación de las rocas ígneas y metamórficas. La meteorización y la erosión, procesosexternos alimentados por una combinación de energía precedentes del sol y la gravedad,producen el sedimento a partir del cual se forman las rocas sedimentarias.



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CICLO DE LAS ROCAS

MAGMAROCA FUNDIDA

F U N D I R

METAMÓRFICAROCA

T E M P E R A T U R A

Y P R E S I Ó N

SEDIMENTARIA

ROCA

M E T A M O R F I S M O

CIMENTACIÓN Y COMPACTACIÓN

LITIFICACIÓNEROSIÓN INTEMPERISMO

DEPOSITACIÓN

E N F R

I A M I E N T

O Y S O

L I D I F I C A C

I Ó N

C R I S T A

L I Z C I Ó N

ROCA IGNEA

SEDIMENTOS

TEMPERATURA Y PRESIÓN

E R O S

I Ó N I N T E

M P E R

I S M O Y

D E P O

S I T A C

I Ó N

I N T E M P E R I S M O

D E P O S I T A C I Ó N

E R O S I Ó N

LITIFICACIÓN



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CICLO DE LAS ROCAS

El ciclo de las rocas. Propuesto originalmente por James Hutton, el ciclo de las rocas ilustra el papel de los diversos procesosgeológicos que actúan para transformar un tipo de roca en otro.



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LAS ROCAS ÍGNEAS, SEDIMENTARIAS Y METAMÓRFICAS

LAS ROCAS ÍGNEAS

Las rocas ígneas constituyen la mayor parte de la corteza terrestre. De hecho con la

excepción del núcleo exterior liquido, la porción sólida restante de nuestro planeta esbásicamente una enorme roca ígnea parcialmente cubierta por una delgada capa de rocassedimentarias. Por consiguiente, para comprender la estructura, composición yfuncionamiento interno de nuestro planeta, es esencial un conocimiento básico de lasrocas ígneas.

Las rocas ígneas se forman conforme se enfría y solidifica una roca fundida. El materialque forma las rocas ígneas se denomina magma, se forma por un proceso denominadofus ión parcial. La fusión parcial se produce a varios niveles dentro de la corteza terrestrey el manto superior a profundidades que pueden superar los 200 kilómetros. Una vezformado, un cuerpo magmático asciende vigorosamente hacia la superficie porque esmenos denso que las rocas que lo rodean. Cuando la roca fundida se abre paso hacia lasuperficie, produce una erupción volcánica espectacular. El magma que alcanza lasuperficie de la tierra se denomina lava. Las rocas ígneas que se forman cuando sesolidifica la roca fundida en la superficie terrestre se clasifican como extrusivas ovolcánicas.

El magma que pierde movilidad antes de alcanzar la superficie acaba cristalizando en laprofundidad. Las rocas ígneas que se forman en la profundidad de la. Corteza sedenominan intrusivas o p lutónicas. Las rocas ígneas intrusivas nunca se observarían sila corteza no ascendiera y las rocas que las cubren no fueran eliminadas por la erosión.

CRISTALIZACIÓN DE UN MAGMA.- El magma es una roca fundida que normalmentecontiene algunos cristales en suspensión y gases disueltos, principalmente vapor de agua,que están confinados dentro del magma por la presión de las rocas circundantes. Lamayor parte del magma se compone de iones móviles de los ocho elementos másabundantes de la corteza terrestre.

Estos elementos, que son también los principales constituyentes de los silicatos, son elsilicio, el oxigeno, el aluminio, el potasio, el calcio, el sodio, el hierro y el magnesio.Conforme se enfría el magma, los movimientos aleatorios de los iones disminuyen develocidad y empiezan a disponerse en estructuras cristalinas ordenadas. Este proceso,denominado cristalización genera granos minerales conocidos como precipitados delfundido.

Los primeros minerales que se forman tienen espacio para crecer y tienden a tener carascristalinas mejor desarrolladas que los últimos, que rellenan el espacio restante. Porultimo, todo el magma se transforma en una masa sólida de silicatos interpenetrados quedenominamos rocas ígneas.

Dado que no hay dos magmas idénticos en composición y cada magma cristaliza enambientes distintos, existe una gran variedad de rocas ígneas. No obstante, es posibleclasificar las rocas ígneas en función de su composición mineral y de las condiciones bajo



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las cuales se formaron. El ambiente durante la cristalización puede deducirse de maneraaproximada del tamaño y la ordenación de los granos minerales, una propiedaddenominada textura. Por consiguiente las rocas ígneas se clasifican por su textura ycomposición mineral.

SERIE DE REACCIÓN DE BOWENEn un estudio de laboratorio, Bowen demostró que, conforme se enfría un magmabasáltico, los minerales tienden a cristalizar con un determinado orden que está enfunción de sus puntos de fusión. Como se muestra en la figura 3.7, el primer mineral quecristaliza a partir de magma basáltico es un ferromagnesiano, el olivino. El enfriamientoadicional genera plagioclasa rica en calcio, así como piroxeno, y así sucesivamente segúnel diagrama.

Durante el proceso de cristalización, la composición del fundido cambia continuamente.Por ejemplo, en la etapa en la que alrededor de una tercera parte del magma hasolidificado, el fundido carecerá casi por complete de hierro, magnesio y calcio porqueesos elementos son constituyentes de los minerales que se formaron primero. Laeliminación de esos elementos del fundido hará que se enriquezca en sodio, potasio yaluminio. Además, dado que el magma basáltico original contenía alrededor del 50% desílice (SiO2) la cristalización del mineral formado primero, el olivino, que contiene soloalrededor del 40% de sílice, deja el fundido restante mas rico en SiO2. Por tanto lacantidad de sílice del fundido también se enriquece conforme evoluciona el magma.

Bowen demostró también que si los componentes sólidos de un magma permanecen encontacto con el fundido restante, reaccionaran químicamente y evolucionaran al siguientemineral de la secuencia mostrada en la Figura 3.7. Por esta razón, esta disposición deminerales llego a ser conocida como serie de reacción de Bowen. (Como comentaremosmas adelante, en algunos ambientes naturales los minerales formados en primer lugarsuelen separarse del fundido, interrumpiendo así cualquier reacción química ulterior.)

Serie de reacción discontinua. La rama izquierda de la serie de reacción de Bowendemuestra que, conforme un magma se enfría, el olivino reaccionara con el fundidorestante para formar piroxeno (Figura 3.7). En esta reacción, el olivino, que estacompuesto por tetraedros de sílice aislados, incorpora más sílice en su estructura, deforma que sus tetraedros forman estructuras en cadena características de los piroxenos.Conforme el cuerpo magmático se enfría más, los cristales de piroxeno reaccionaran a suvez con el fundido para generar estructuras de cadenas dobles típicas de los anfíboles.Esta reacción continuara hasta que se forme el último mineral de la serie, la biotita.Usualmente estas reacciones no transcurren hasta completarse, de manera que puedenexistir diversas cantidades de cada uno de esos minerales en cualquier momento dado, yalgunos de esos minerales, como la biotita, quizá no se formen nunca.

Esta parte de la serie de reacción de Bowen se denomina serie de reacción discontinuaporque en cada etapa se forma un silicato con distinta estructura. El olivino, el primermineral de la secuencia en formarse, esta compuesto por tetraedros aislados, mientrasque el piroxeno esta compuesto por cadenas sencillas, el anfíbol por cadenas dobles y labiotita por estructuras laminares.



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Serie de reacción continua. La rama derecha de la serie de reacción, denominada laserie de reacción continua, muestra que los cristales de plagioclasa rica en calcioreaccionan con los iones sodio en el fundido para enriquecerse progresivamente en ellos(Figura 3.7). Aquí los iones sodio se difunden en los cristales de feldespato y desplazan

los iones calcio en la red cristalina. A veces, la velocidad de enfriamiento ocurre con lasuficiente rapidez como para impedir una sustitución completa de los iones calcio por losiones sodio. En esos casos, los cristales de feldespato tendrán interiores ricos en calciorodeados por zonas progresivamente más ricas en sodio.

Durante la última etapa de la cristalización, después de que se haya solidificado granparte del magma, se forma el feldespato potásico. Se formara moscovita en laspegmatitas y otras rocas ígneas plutónicas que cristalizan a profundidades considerables.Por ultimo, si el magma remanente tiene exceso de sílice, precipitara el cuarzo.

La serie de reacción de Bowen ilustra la secuencia según la cual cristalizan los mineralesde un magma basáltico en condiciones de laboratorio. Pruebas de que este modelo decristalización se aproxima a lo que puede ocurrir en la naturaleza proceden del análisis delas rocas ígneas. En particular, encontramos que los minerales que se forman bajo elmismo régimen de temperaturas en la serie de reacción de Bowen se encuentran juntosen las rocas ígneas. Por ejemplo, nótese en la Figura 3.7 que los minerales cuarzo,feldespato potásico y moscovita, que están localizados en la misma región del diagramade Bowen, se encuentran normalmente juntos como constituyentes principales de losgranitos.

Figura 3.7 La serie de cristalización de Bowen (1928) nos muestra el orden de cristalización de los distintos silicatos conformedisminuye la temperatura del magma.



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TEXTURAS ÍGNEAS.- El termino textura cuando se aplica a una roca ígnea, se utilizapara describir el aspecto general de la roca en fundón del tamaño, forma y ordenamientode sus cristales. La textura es una característica importante porque revela mucho sobre elambiente en el que se formó la roca. Los factores que afectan el tamaño de los cristales yque contribuyen a la textura de las rocas ígneas son: (1) la velocidad a la cual se enfría

el magma; (2) la cantidad de sílice presente, y (3) la cantidad de gases disueltos enel magma. De ellos, la velocidad de enfriamiento es quizá el más significativo. Elenfriamiento lento promueve el crecimiento de menos cristales, pero de mayor tamaño.Por otro lado cuando el enfriamiento se produce mas deprisa (en una delgada colada delava), esto provoca el desarrollo de numerosos núcleos embrionarios, que compiten alavez por los iones disponibles. La consecuencia es una masa sólida de pequeños cristalesíntercrecidos. Cuando el material fundido se enfría rápidamente puede no haber tiemposuficiente para que los iones se dispongan en una red cristalina. A las rocas que consistenen iones desornados se les denominan vidrios.

Vista de cristales entrecrecidos en una roca ígnea de grano grueso.

TIPOS DE TEXTURA

TEXTURA FANERÍTICA.- Cuando grandes masas de magma se solidifican lentamentebastante por debajo de la superficie, forman las rocas ígneas que una textura de granogrueso denominada fanerítica. Estas rocas de grano grueso consisten en una masa decristales intercrecidos que son aproximadamente del mismo tamaño y lo suficientementegrandes para que los minerales individuales puedan identificarse a simple vista.

Fanerítica



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TEXTURA AFANÍTICA.- Las rocas ígneas, que se forman en la superficie o como masaspequeñas dentro de la corteza superior donde el enfriamiento es relativamente rápido,poseen una textura de grano muy fino denominada Afanítica. Por definición, los cristalesque constituyen las rocas afaníticas son demasiado pequeños para que los mineralesindividuales se distingan a simple vista. Dado que la identificación del mineral no es

posible normalmente caracterizamos las rocas de grano fino por su color claro intermediou oscuro.

Afanítica

TEXTURA PORFÍDICA.- Dado que los diferentes minerales cristalizan a temperaturasdiferentes, es posible que algunos cristales se hagan bastante grandes mientras que otrosestén empezando a formarse. Si el magma contiene algunos cristales grandes cambia decondiciones, la porción fundida de lava se enfriara rápidamente. Se dice que la rocaresultante, que tiene grandes cristales incrustados en una matriz de cristales máspequeños, tiene una textura porfídica. Los grandes cristales que hay en una roca de estetipo se denominan fenocristales, mientras que la matriz de cristales más pequeños sedenomina pasta. Una roca con una textura de este tipo se conoce como pórfido.

Porfídica



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TEXTURA PIROCLÁSTICA.- Algunas rocas se forman por la consolidación de fragmentosde roca individuales que son expulsados durante erupciones volcánicas violentas. Laspartículas expulsadas pueden ser cenizas muy finas, gotas fundidas o grandes bloquesangulares arrancados de las paredes de la chimenea volcánica durante la erupción. Lasrocas ígneas formadas por estos fragmentos de roca se dice que tienen una textura

piroclástica. Un tipo común de roca piroclástica esta compuesta por delgadas hileras devidrio que permanecieron lo suficientemente calientes durante su vuelo como parafundirse juntas tras el impacto. Otras rocas piroclásticas están compuestas por fragmentosque solidificaron antes del impacto y se cementaron juntas algún tiempo después.

Textura Piroclástica

TEXTURA VÍTREA.- Durante algunas erupciones volcánicas la roca fundida es expulsadahacia a la atmósfera donde se enfría rápidamente. Este enfriamiento rápido puedegenerar rocas que tiene una textura vítrea. El vidrio se produce cuando los ionesdesordenados se ―congelan‖ antes de poder unirse en una estructura cristalina ordenada.La obsidiana, un tipo común de vidrio natural, es de aspecto similar a una pieza oscurade vidrio corriente.

Roca vítrea. Obsidiana

TEXTURA PEGMATÍTICA.- Bajo condiciones especiales, pueden formarse rocas ígneasde grano especialmente grueso, denominadas pegmatitas. Estas rocas, que estáncompuestas por cristales interconectados todos mayores de un centímetro de diámetro, sedice que tiene una textura pegmatítica.



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TIPO DE ESTRUCTURAS

ESTRUCTURAS DE LAS ROCAS ÍGNEAS INTRUSIVAS

BATOLITOS.- Con mucho los cuerpos ígneos intrusivos mayores son los batolitos. La

mayor parte de las veces, los batolitos aparecen en grupos que forman estructuraslineales de varios centenares de kilómetros de largo y de hasta 100 kilómetros de ancho.Pruebas indirectas recogidas de estudios gravimétricos indican que los batolitos sontambién muy gruesos, extendiéndose posiblemente docenas de kilómetros en la corteza.Por definición un cuerpo plutónico debe tener una extensión de afloramiento mayor de100 kilómetros cuadrados para que se considere batolito.

TRONCO O STOCKS.- Son plutones más pequeños de este tipo se denominan troncos.Muchos stocks parecen ser porciones de batolitos que todavía no afloran.

DIQUES.- Son cuerpos tabulares discordantes producidos cuando el magma se inyectaen fracturas. La fuerza ejercida durante la inyección del magma puede ser lo bastantegrande como para separar aún más las paredes de la fractura. Una vez cristalizada, estasestructuras laminares tienen grosores que oscilan desde un centímetro hasta más de unkilómetro. Generalmente yace verticalmente o de manera abrupta.

LACOLITOS.- son similares a los mantos intrusivos porque se forman cuando el magmase introduce entre capas sedimentarias en un ambiente próximo a la superficie. Sinembargo, el magma que genera los Lacolitos es más viscoso.

Este magma menos fluido se acumula formando una masa lenticular que deforma losestratos superiores. Por consiguiente, un lacolito. Puede detectarse a veces por le bultoen forma de domo que crea en la superficie.

ESTRUCTURAS DE LAS ROCAS ÍGNEAS VOLCÁNICAS

MANTOS INTRUSIVOS.- Son plutones tabulares formados cuando el magma esinyectado a lo largo de superficies de estratificación. Los mantos con disposiciónhorizontal son los más comunes, aunque se sabe ahora que existe todo tipo deorientaciones, incluso verticales.

Debido a su grosor relativamente uniforme y a su gran extensión lateral, los mantos sonprobablemente el producto de lavas muy fluidas. Los magmas que tienen un bajocontenido de sílice son más fluidos, por eso la mayoría de los mantos están compuestospor basaltos.

COLODAS.- Se diferencia del anterior por tener en planta una forma bandeada; sulongitud supera a su ancho considerablemente.

Los derrames de lava son cuerpos ígneos tabulares, delgados en comparación con suextensión horizontal. Aunque la superficie de un derrame de lava puede ser lisa,generalmente aparece cubierta por irregularidades de diferente magnitud.



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ALMOHADILLAS.- cuando la lava entra en el océano, o cuando las de lava se originan enuna cuenca oceánica, las zonas superiores de las coladas se enfrían rápidamente.

Sin, embargo normalmente la lava puede moverse hada delante rompiendo la superficieendurecida. Este proceso ocurre una y otra vez, generando coladas de lava compuestas

por estructuras alargadas que se parecen a grandes almohadas apiladas unas sobreotras. Estas estructuras, se denominan lavas almohadillas.

FLUIDAL.- Muchas rocas volcánicas muestran una tendencia al alineamiento paralelo ysubparalelo de diversos elementos en la trama.

Esto se debe al movimiento o comente que tiene lugar en lava aún líquida y a estacaracterística se le llama estructura fluidal o de corriente.

Las rocas volcánicas silíceas como la riolita (que significa corriente de río) y la fonolita, losmagmas de las cuales son viscosas, muestran la estructura de corriente en su máximaperfección.

ESTRUCTURA VESICULAR Y AMIGDALOIDE.- Muchas rocas volcánicas secaracterizan por su estructura vesicular.

Esta expresión se refiere a la roca con burbujas atrapadas, las que pueden ser de formade almendra, redondeadas, elipsoidales o aún tabulares.

Basalto Amigdaloide

Estas se deben a la expansión del vapor de agua o de otros gases de la lava, y su formaal movimiento del gas en la lava todavía líquida.

Escoria es un término que se aplica a la lava basáltica, en la cual las vesículas uoquedades dejadas por el gas son numerosas y de forma irregular.

Las amígdalas son las vesículas que han quedado rellenas por minerales secundarios,como las zeolitas, carbonates y varias formas de sílice. Las rocas volcánicas y lavas quecontienen amígdalas se describen como rocas con estructura amigdaloide.



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Escoria

ESTRUCURA COLUMNAR.- Esta estructura se origina por la fracturación de un cuerpolávico durante su solidificación y enfriamiento; es debida a la reducción de su volumen, demanera que se manifiesta como grietas que originan disyunciones (separaciones)columnares o prismáticas cuya sección es generalmente hexagonal. La altura de losprismas puede tener decenas de metros, dependiendo del espesor del manto lávico.



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MESA BASALTICA VOLCAN

DIQUE

D e r r a m e

d e l a v a

T O B A

S

C A L I Z

A S

L A C O L I T O

TRONCOConglomerado

BATOLITOGranito

BATOLITO

XENOLITO

C AL I Z AS

D I S C O R D A N C I A

M A N T O

T O B A S

M E T A M O R F I S M O

D E C O N T A C T O

Diagrama que muestra algunas rocas Ígneas y sus relaciones con sedimentarias y metamórficas



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TIPOS DE ROCAS ÍGNEAS

ROCAS ÍGNEAS INTRUSIVAS O PLUTONICAS

GRANITO.- El granito es quizá la mejor conocida de todas las rocas ígneas. Esto se debe

en parte a su belleza natural, que se intensifica cuando se pule, en parte a su abundanciaen la corteza continental. Las planchas de granito pulido se utilizan habitualmente para lastumbas y los monumentos y como piedra de construcción. El granito es una roca faneríticacompuesta por alrededor de 25% a 35% de cuarzo y más del 50% de feldespato potásico(ortoclasa) y de plagioclasa rica en sodio. Los cristales de cuarzo, de formaaproximadamente esférica, suelen ser vítreos y de color claro a gris claro. Al contrario delos cristales del cuarzo, los cristales de feldespato no son vítreos, tienen un generalmentede blanco a gris o rosa salmón, y exhiben una forma rectangular más que esférica.

Granito

DIORITA.- Es una roca intrusiva de grano grueso que tiene un aspecto similar al granitogris. Sin embargo puede distinguirse del granito por las ausencias de cristales de cuarzovisibles. La composición mineral de la diorita es fundamentalmente plagioclasa rica ensodio y anfíbol con cantidades menores de biotita.

Diorita



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Gabro.- El gabro es el equivalente intrusivo del basalto. Como el basalto, es de colorverde muy oscuro a negro y esta compuesto fundamentalmente de piroxeno y deplagioclasa rica en calcio. Aunque el gabro no es un constituyente común en la cortezacontinental, indudablemente constituye un porcentaje significativo de la corteza oceánica.

Aquí grandes proporciones de magma que formó los depósitos subterráneos que una vez

alimentaron las erupciones basálticas acabaron por solidificar en la profundidad, formando gabros.

Gabro

PERIDOTITAS.- Casi todas las rocas ultramáficas contienen menos de 45 por ciento desílice, generalmente carecen de feldespato. Unas cuantas rocas ultamáficas de granogrueso contienen una pequeña cantidad de plagioclasa cálcica; la mayoría de ellas estáncompuestas principalmente de olivino y minerales, y se encuentran como ensegregaciones irregulares en cuerpos de gabros. La peridotíta es un término general quese aplica a rocas de grano grueso, ricas en olivino. Además del olivino, pueden concurrir

otros minerales Máficos en cantidad considerable en las peridotitas, y sus variedades sedesignan según el más prominente de ellos, como peridotitas de piroxeno, peridotitasde horblenda y peridotita de mica.



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EXTRUSIVA INTRUSIVACOMPOSICIÓN

MINERALÓGICA

Riolita Granito

Cuarzo 10-40 %, Feldespato

potásico 30 -60 %, plagioclasasódica (excepto pertita) 0-35, %.Máficos (biotita, horblenda) X35 - 10 %.

Dacita Granodiorita

Feldespato potásico 20-40%, plagioclasa sódica 25-45%,cuarzo 35-10%, Máficos (30-10%). Si la plagioclasa pasa aser mineral accesorio, lagranodiorita recibe el nombre deTonalita

Traquita Sienita

Feldespato potásico 30-80%, plagioclasa sódica 5-25%,Máficos (biotita, anfíbola y piroxenas) 40-10%.

Latita Monzonita

Máficos (biotita hornblenda,augita) 15-60%, plagioclasasódica (andesina u oligoclasa)50-30%, feldespato potásico(generalmente ortoclasa) 45-20%.

Andesita DioritaPlagioclasa sódica (oligoclasa oandesina) 55-70%, Máficos(generalmente hornblenda o biotita) 45-25%.

Basalto Gabro

Máficos (Augita, hiperstena uolivino, menos frecuentehornblenda) 25-50%, plagioclasa(labradorita o bytownita) 70-45%.

Peridotitas

Mancos (Olivino, piroxena,hornblenda) 85-95%, mineralesmetálicos (magnetita, ilmenita,cromita, etc.) 10.3 por ciento, plagioclasa cálcica menos 5%.



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ROCAS ÍGNEAS EXTRUSIVAS O VOLCÁNICAS

RIOLITA.- Dado que las rocas ígneas se clasifican en función de su composición mineraly de su textura, dos rocas pueden tener los mismos constituyentes minerales perodiferentes texturas y, por consiguiente nombres diferentes. Por ejemplo, el granito tiene un

equivalente volcánico de grano fino denominado riolita. Aunque estas rocas sonmineralógicamente idénticas, tienen texturas diferentes. Como el granito, la riolita estacompuesta fundamentalmente de silicatos de color claro. Este hecho explica su color, quesuele ser de marrón claro a rosa o, a veces un gris claro. La riolita suele ser afanítica ycontiene frecuentemente fragmentos vítreos y huecos que indican un rápido enfriamientoen un ambiente superficial.

Riolita

ANDESITA.- La andesita es una roca de color gris medio, de grano fino y de origenvolcánico. Su nombre procede de los Andes de Amerita del Sur, donde numerosos

volcanes están formados por este tipo de roca. Muchas de las estructuras volcánicas querodean el océano Pacífico son de composición andesítica. La andesita muestrafrecuentemente una textura porfídica, cuando es este caso, los fenocristales suelen sercristales negros y alargados de horblenda.

BASALTO.- El basalto es una roca volcánica de grano fino y de color verde oscuro anegro, compuesta fundamentalmente por piroxeno y plagioclasa rica en calcio concantidades menores de olivino y anfíbol. Cuando es porfídico, el basalto contienecomúnmente fenocristales pequeños de plagioclasa calcica de colores claros ofenocristales de olivino de aspecto vítreo embebidos en una pasta oscura. El basalto es la roca extrusiva más común. Muchas islas volcánicas, como Hawai e Islandia, están

compuestas principalmente de basalto. Además las capas superiores de la cortezaoceánica son de basalto.



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Basalto

CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS ÍGNEAS COMUNES. Texturas Félsicas intermedias máficas Ultramáficas Estructuras

Faneríticas(INTRUSIVAS)

Granito Diorita Gabro peridotita Batolito- Tronco l-acolito-dique

Afaníticas(EXTRUSIVAS)

Piolita Andesita Basalto Derrame-fluidal Vesicular-Manto Columnar-

Amigdatoide

ComposiciónMineral

CuarzoFeldespatoPotásico

PlagioclasaSódica

AnfíbolPlagioclasaIntermedia

PlagioclasaCálcica Piroxeno Olivino Piroxeno

ConstituyentesMineralesMenores

MoscovitaBiotita Anfíbol

Piroxeno AnfíbolBiotita

Olivino Anfíbol Plagioclasa Cálcica

Color de la rocabasado en el %

de Mineralesoscuros

ColoresClaros

Menos del15% de

mineralesoscuros

De coloresintermedios

Gris oscuroa negro

Más del 40% deminerales oscuros

Verde oscuro anegro

Casi con un 100%de minerales

oscuros



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Mineralogía de las rocas ígneas comunes. Las rocas faneríticas (de grano grueso) son plutónicas, y solidifican en zonas profundas delinterior de la tierra. Las rocas afaníticas (grano fino) son volcánicas o solidifican cerca de la superficie de la tierra. (Tomado de Dietrich).

ROCAS PIROCLÁSTICAS

Las rocas piroclásticas (piro, fuego; klastos, quebrado) son los productos de laserupciones volcánicas explosivas, y comprenden fragmentos de orígenes diferentes, demuchas formas y de todos tamaños. Algunas acumulaciones productos de expulsión

volcánica son relativamente uniformes en composición y textura; otras son mezclasheterogéneas. A los fragmentos expulsados de mas de 32mm de diámetro se les designacomo bombas, si tuvieron parcial o totalmente fundidos al ser descargados estosfragmentos cuando están compactado y cementados forman a la roca aglomerado.Muchos adoptaron la forma de huesillo o de lágrima durante su vuelo por el aire. A otros,del tamaño de las bombas, se les llama bloques, si fueron totalmente sólidos al serdescargados estos fragmentos forman a la roca brecha volcánica. Muchos de ellos sonfragmentos arrancados de la garganta o cono del volcán. Los fragmentos expulsados quemiden de 4 a 32mm se clasifican como lapílli (lapillus, piedra pequeña) cualquiera quehaya sido las condiciones de descarga forma a la roca toba de lapilli. Los mas pequeñosde todos, los que, miden entre 4 y 1/16mm, son las partículas semejantes a la arena, o

fragmentos sueltos a los que se llama arenas volcánicas la roca que origina se llamatoba arenosa. A los fragmentos que miden menos de 1/16 mm se les llama polvo oceniza volcánica y forma a la toba.



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Bomba volcánica

ROCAS PIROCLASTICASTamaño delfragmento

Fragmento deroca

Roca formada Textura Estructura

Mayor de32mm Bombas Bloquesangulosos AglomeradoBrecha Piroclástica Masivapseduestratificada

Menor de32mm y mayorde 4mm

Lapilli Toba de Lapilli Piroclástica Masivapseduestratificada

Menor de4mm y mayorde l/4mm

Arenas Tobasarenosas

Piroclástica Masivapseduestratificada

Menores del/4mm

Polvo VolcánicoCeniza

Tobas Piroclástica Masivapseduestratificada

ROCAS SEDIMENTARIAS

Para entender el origen de las rocas sedimentarias, recordemos que la meteorización(intemperismo) de las rocas existentes inicia el proceso. A continuación, agentes erosivoscomo las aguas de escorrentía, el viento, las olas y el hielo extraen los productos demeteorización y los transportan a una nueva localización, donde son depositados.Normalmente las partículas se descomponen aún más durante la fase de transporte.Después de la sedimentación, este material, que se denomina ahora sedimento se litifica.En la mayoría de los casos, el sedimento se litifica en roca sedimentaria mediante losprocesos de compactación y cementación.

TIPOS DE ROCAS SEDIMENTARIAS.- El sedimento tiene dos orígenes principales. Enprimer lugar, el sedimento puede ser una acumulación de material que se origina y estransportado en forma de clastos sólidos derivados de la meteorización mecánica yquímica. Los depósitos de este tipo se denominan detríticos las rocas sedimentarias queforman se llaman rocas sedimentarias detríticas. La segunda fuente principal desedimentos es el material soluble producido en gran medida mediante meteorizaciónquímica. Cuando estas sustancias disueltas son precipitadas mediante procesosorgánicos o inorgánicos, el material se conoce como sedimento químico y las rocasformadas a partir de él se denominan rocas sedimentarias químicas.



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ROCAS SEDIMENTARIAS DETRÍTICAS (MECÁNICAS)

CONGLOMERADO.- Consiste fundamentalmente en grava. Estos clastos pueden oscilaren tamaño desde grandes cantos rodados hasta clastos tan pequeños como un guisante.

Los clastos suelen serlo bastante grandes como para permitir su identificación en los tiposde roca distintivos; por tanto pueden ser valiosos para identificar las áreas de origen detos sedimentos. Lo más frecuente es que los conglomerados estén mal seleccionadosporque los huecos entre clastos de grava contienen arena y lodo. La grava que seacumula en diversos ambientes y normalmente indica la existencia de grandes pendienteso comentes muy turbulentas. En un conglomerado, los clastos gruesos quizá reflejan laacción de comentes montañosas enérgicas o son consecuencia de una fuerte actividad delas olas a lo largo de una costa en rápida erosión.

Conglomerado

BRECHA.- Si los grandes clastos son angulosos en vez de redondeados, la roca sedenomina brecha sedimentaria, debido a que los cantos experimentan abrasión y seredondean muy deprisa durante el transporte, los cantos rodados y los clastos de unabrecha indican que no viajaron muy lejos desde su área de origen antes de serdepositados. Los tamaños de sus clastos revelan la fuerza de las comentes que lastransportaron, mientras que el grado de redondez cuanto viajaron los clastos. Losfragmentos que hay dentro de la muestra permiten identificar las rocas de las queproceden.

Brecha Sedimentaria



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Arenisca.- Es el nombre que se le da a las rocas en las que predominan los clastos detamaño arena. Después de la lutita, la arenisca es la roca sedimentaria más abundante,constituye aproximadamente el 20% de todo el grupo. Las areniscas se forman endiversos ambientes y a menudo contienen pistas significativas sobre su origen, entre ellasla selección, la forma del grano y la composición.

La selección es el grado de semejanza del tamaño del clasto en una roca sedimentaría.Por ejemplo, si todos los granos de una muestra de arenisca tienen aproximadamente elmismo tamaño, se considera que la arena esta bien seleccionada. A la inversa, si la rocacontiene clastos grandes y pequeños mezclados, se dice que la arena esta malseleccionada.

Los depósitos de arena transportados por el viento suelen estar mejor seleccionados quelos depósitos seleccionados por el oleaje. Los clastos lavados por las olas estánnormalmente mejor seleccionados que los materiales depositados por la corriente deagua. Cuando las corrientes de agua, el viento o las olas mueven la arena y otros clastossedimentarios, los granos pierden sus bordes y esquinas angulosos y se vanredondeando más a medida que colisionan con otras partículas durante el transporte. Losgranos muy redondeados indica que se ha producido una gran abrasión y, porconsiguiente, un prolongado transporte.

Los granos muy angulosos, por otro lado, significan dos cosas: que los materialessufrieron transporte durante una distancia corta antes de su depósito, y que quizá los hayatransportado algún otro medio. Debido a su durabilidad, el cuarzo es el mineralpredominante en la mayoría de las areniscas. Cuando este es el caso, la roca puededenominarse simplemente cuarzoarenita. Cuando la arenisca contiene cantidadesapreciables de feldespasto, la roca se denomina arcosa. La composición mineral dearcosa índica que los granos proceden de rocas origen granítico. Una tercera variedad dearenisca se conoce como Grawvaca. Además de cuarzo y feldespato esta roca de coloresoscuros contiene abundantes fragmentos rocosos y una matriz.

LUTITA.- La lutita es una roca sedimentaria compuesta por partículas del tamaño de laarcilla y del limo.

Estas rocas detríticas de grano fino constituyen más de la mitad de todas las rocassedimentarias. Las partículas de estas rocas son tan pequeñas que no puedenidentificarse con facilidad sin grandes aumentos y, por esta razón, resulta más difícilestudiar y analizar las lutitas que la mayoría de las otras rocas sedimentarias.

Las diminutas partículas de la lutita indican que se produjo un depósito comoconsecuencia de la sedimentación gradual de corrientes no turbulentas relativamentetranquilas.

Entre estos ambientes se cuentan los lagos, las llanuras de inundación de ríos, lagunas yzonas de las cuencas oceánicas profundas. A veces la composición química de la roca



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proporciona información adicional. Un ejemplo es la lutita negra, que es negra porquecontiene abundante materia orgánica (carbono).

Cuando se encuentra una roca de este tipo, indica que la fuerza de sedimentación seprodujo en un ambiente pobre en oxígeno, como un pantano, donde los materiales

orgánicos no se oxidan con facilidad y se descomponen.Conforme se acumula el limo y la arcilla, tienden a formar capas delgadas, a las que sesuelen hacer referencia como láminas.

Lutita

La incapacidad del agua para penetrar en sus espacios porosos microscópicos, explicaporque la lutita forma a menudo barreras al movimiento del agua y al petróleo en elsubsuelo. De hecho, las capas de roca que contienen agua subterránea suelen estarsituadas por encima de lechos de lutita que bloquean su descenso. En el caso de losdepósitos de petróleo ocurre lo contrario. Suelen estar coronados por capas de lutita queevitan con eficacia el escape de petróleo y el gas a la superficie. La lutita fisil debe mostrarcapacidad para escindirse en capas finas a lo largo de planos especiales próximos y biendesarrollados. Esta propiedad se denomina fisilidad.

CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS DETRÍTICAS SEGÚN EL TAMAÑO DEL CLASTO.INTERVALOS DETAMAÑO EN MM.

NOMBRE DELCLASTO

NOMBRE DELSEDIMENTO

ROCA DETRÍTICA

>256

64-2564-64

{BLOQUE

{CANTO ROOADO

GRAVA BRECHA

SEDIMENTARIA

1/16 GRANO ARENA ARENISCA1/256 -1/16 GRANULO LIMO LIMOLITA<256 PARTÍCULA ARCILLA LUTITA



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ROCAS SEDIMENTARIO QUÍMICAS

Caliza.- Representando alrededor del 10% del volumen total de todas (as rocassedimentarias, la caliza es la roca sedimentaria química más abundante. Esta compuesta‖fundamentalmente del mineral calcita (CaCO3) y se forma por medios inorgánicos o bien

como resultado de procesos bioquímicos. Con independencia de su origen, lacomposición mineral de toda la caliza es similar, aunque existen muchos tipos diferentes.Esto es cierto porque las calizas se producen bajo diversas condiciones. Las formas quetienen su’ origen bioquímico marino son con mucho las más comunes.

Dolomita.- Muy relacionada con la caliza esta la dolomía (dolomita), una roca compuestadel mineral del carbono caldeo-magnésico dolomita. Aunque la dolomita puede formarsepor precipitación directa del agua del mar, la mayoría se origina probablemente cuando elmagnesio del agua del mar remplaza parte del calcio de la caliza. La última hipótesis seve reforzada por hecho de que prácticamente no se encuentra dolomía joven. Antes bien,la mayoría es roca antigua en la que hubo tiempo de sobra para que el magnesiosustituyera al calcio.

PEDERNAL.- Se trata de una serie de rocas muy compactas y duras compuestas desílice (Si02) microcristalina. Una forma bien conocida es el pedernal, cuyo color oscuroes consecuencia de la materia orgánica que contiene. El jaspe una variedad roja, debe sucolor brillante al oxido de hierro que contiene. A la forma bandeada se denomina ágata.Los depósitos de rocas silíceas se encuentran fundamentalmente en una de las siguientessituaciones: como nódulos de forma irregular en la caliza y como capas de roca. La sílice,que compone muchos nódulos de cuarzo, puede haberse depositado directamente delagua.Estos nódulos tienen un origen inorgánico. Sin embargo es improbable que un porcentajemuy grande de capas de rocas silíceas precipitaran directamente desde del agua del mar,porque rara vez el agua de mar esta saturada de sílice. Por consiguiente, se piensa quelos estratos de rocas silíceas se han originado en gran medida como sedimentosbioquímicos.

EVAPORITAS.- Muy a menudo la evaporación es el mecanismo que desencadena lasedimentación de precipitados químicos. Entre los minerales precipitados normalmente deesta manera se cuentan la halita (cloruro sódico NaCl), el componente principal de la salde roca, y el yeso (sulfato calcico hidratado, CaS04.2H2O), el principal ingrediente de laroca yeso. Las dos tienen importancia significativa.

La halita nos resulta familiar a todos como la sal común utilizada para cocinar y sazonarlos alimentos, y la fusión del hielo en las carreteras. El yeso es el ingrediente básico de laargamasa. Este material se utiliza mucho en la industria de construcción de paredesinteriores y exteriores.

En el pasado geológico, muchas áreas que ahora son tierras secas eran cuencas,sumergidas bajo brazos someros de un mar que tenia sólo conexiones estrechas con elocéano abierto.



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Bajo estas condiciones, el agua del mar entraba continuamente a la bahía para sustituir elagua perdida por evaporación. Finalmente el agua de bahía se saturaba y se iniciaba ladeposición de la sal. Estos depósitos se denominan evaporítas. Cuando se evapora unvolumen de agua salada, los minerales que precipitan lo hacen en una secuencia queviene determinada por su solubilidad. Precipitan primero los minerales menos solubles y al

final, conforme aumenta la salinidad, precipitan los más solubles.Por ejemplo el yeso precipita cuando se ha evaporado alrededor de dos tercios a las trescuartas partes del agua del mar. Y la halita se deposita cundo han desaparecido nueve decada diez partes de agua. Durante las etapas tardías de este proceso, precipitan las salesde potasio y de magnesio.

Evaporizas

ROCAS SEDIMENTARIAS ORGÁNICAS

COQUINA Y CRETA.- Aunque la mayor parte de las calizas es producto de los procesos

biológicos, este origen no siempre es evidente, porque los caparazones y los esqueletospueden experimentar un cambio considerable antes de litificarse para formar una roca. Sinembargo, una caliza bioquímica de fácil identificación es la coquina, una roca de granogrueso compuesta por caparazones y fragmentos de caparazón poco cementados. Otroejemplo menos obvio, aunque familiar, es la creta, una roca blanda y porosa compuestacasi por completo de las partes duras de microorganismos marinos. Entre los depositaosde creta más famosos se cuentan los expuestos a lo largo de la costa sur occidental deInglaterra.

Coquina



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ARRECIFES DE CORAL.- Los corrales son un ejemplo importante de organismoscapaces de crear grandes cantidades de caliza marina. Estos invertebrados relativamentesencillos segregan un esqueleto externo cacareo (rico en calcita). Aunque son pequeños,los corales son capaces de crear estructuras masivas denominadas arrecifes. Los

arrecifes consisten en colonias de coral compuesta por un número abundante deindividuos que viven codo a codo sobre una estructura de calcita segregada por ellosmismos. Además con los corales viven algas secretoras de carbonato de cálcico, quecontribuyen a cementar la estructura entera en una masa sólida. También vive en losarrecifes, o cerca, una gran variedad de otros organismos.

CARBÓN.- El carbón es muy diferente de las otras rocas. A diferencia de la caliza y de lasrocas silíceas, que son ricas en sílice y en calcita, el carbón esta compuesto de materiaorgánica. Un examen de cerca del carbón con lentes de aumento revela a menudoestructuras vegetales, como hojas, corteza y madera, que han experimentado alteraciónquímica, pero siguen siendo identificables. Esto apoya la conclusión de que el carbón esel producto final derivado del enterramiento de grandes cantidades de materia vegetaldurante millones de años. La etapa inicial del proceso de formación del carbón consiste enla acumulación de grandes cantidades de resto vegetales. Sin embargo, se precisancondiciones especiales para que se den estas acumulaciones, porque las plantas muertasse descomponen fácilmente cuando quedan expuestas a la atmósfera o a otros ambientesricos en oxigeno. Un ambiente importante que permite la acumulación de materia vegetales el pantanoso.

El agua estancada de los pantanos es pobre en oxigeno, de manera que no es posible ladescomposición completa (oxidación) de la materia vegetal. En cambio, las plantas estason atacadas por ciertas bacterias que descomponen en parte el material orgánico yliberan oxígeno e hidrógeno. Conforme esos elementos escapan, aumenta de maneragradual el porcentaje de carbono. Las bacterias no son capaces de acabar el trabajo dedescomposición porque son destruidas por los ácidos liberados por las plantas. Ladescomposición parcial de los restos vegetales en un pantano pobre en oxígeno crea unacapa de turba: material marrón y blando en el cual todavía son fáciles de reconocer lasestructuras vegetales. Con el enterramiento somero, la turba se transforma lentamente en lignito, un carbón blando y marrón. El enterramiento aumenta la temperatura de lossedimentos así como la presión sobre ellos. El enterramiento más profundo transforma ellignito en una roca negra más dura y compactada denominada carbón bituminoso.

Los carbones lignito y bituminoso son rocas sedimentarias. Sin embargo, cuando lascapas sedimentarias son sometidas a plegamientos y deformaciones asociadas con laformación de montañas, el calor y la presión inducen una perdida ulterior de volátiles yagua, incrementando con ello la concentración de carbono fijado. Este proceso transformael carbón bituminoso en antracita una roca negra, brillante y muy dura.



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ROCAS SEDIMENTARIAS TEXTURA ESTRUCTURA

ORIGEN AGENTE SEDIMENTO SEDIMENTO

TRANSPORTADOR SUELTO CONSOLIDADO

AGUA CANTO RODADO(Aristas redondeados)

CONGLOMERADOC

IMBRICACIÓN

M GRAVA BRECHA L ESTRATIFICACIÓNE (Aristas agudos) A (grueso, mediano, del.)

C ARENA LIMO ARENISCA

LIMOLITA SLAMINACIÓN

A ARCILLA LUTITA T FISILIDADN I

IC

VIENTO MEDAÑOS LOESS ARENISCAS :GRAVWACA

ARCOSA

C A

ESTRATIFICACIÓN

0 HIELO GRAVAS ANGULOSAS ARENA

TILITA

LIMO ARCILLA

ORIGEN NATURALEZA SEDIMENTO CONSOLIDADO

CALCAREA CALIZA ESTRATIFICACIÓN

(CaC03 ) DOLOMITA ( HCI al 10 % ) CRUZADA

ARAGOMITAQ CALCÁREA TRAVERTINO N

U ARCILLOSA MARGA O

I SILICOSA PEDERNAL ( Si02 ) ESTRATIFICACIÓN

MI

GRADUAL

CO

SALINA EVAPORITAS : C imbricacionGEYSERITA LSAL GEMA A NodularYESO S

ANHIDRITA T

0 CALCAREA CALIZA |

R CORAL C

G COQUINA A DEPÓSITOS

A CRETA ( SAZCAB) MASIVOSNI SILICOSA DIATOMITA ( TIZER )

C

0 CARBONOSA TURBA

LIGNITO

HULLA

ANTRACITA



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TEXTURAS DE LAS ROCAS SEDIMENTARIAS

Textura.- La textura se refiere a la constitución física (relación de grano a grano) de unaroca, a diferencia de su composición mineralógica o química. Para decidir como sedepositó una roca sedimentaría, deben estudiarse tanto la composición mineralógica

como los rasgos de textura de la misma. También determinan éstos la madurez de la roca.La madurez es una medida del grado al cual han avanzado los procesos dedescomposición química y desintegración mecánica hacia su terminación.

Textura Clástica.- Las rocas sedimentarias clásticas (detríticas) tienen textura clástica.Las partículas pueden tener cualquier forma, tamaño o composición. La mayoría de losagregados clásticos tienen algunos poros intergranulares pero se vuelven no porosos porla cristalización de la sustancia autigénica en los poros. La denominación clástica puedeaplicarse a la textura de cualquier agregado cuyo carácter original fragmentario dejaclaramente visible. En todos los agregados fragmentarios que tienen una amplia gama detamaños de las partículas, el material se subdivide convenientemente en grano y matriz, aunque no haya una diferencia marcada en el tamaño de las partículas entre ellos.

El cemento es muy común en las rocas sedimentarias detríticas. Se sabe de muchosminerales comunes como el ópalo, los carbonates, la limonita etc., que desempeñan elpapel de cemento. El cemento es menos común en los sedimentos arcillosos,probablemente porque el material arcilloso es un agente de unión firme y sin/e paraconsolidar las rocas sedimentarias que no contienen cementos precipitados.

Textura no Clástica.- Los elementos de la textura de los sedimentos no clásticos tienenun significado diferente que los de las rocas clásticas. La redondez en los sedimentosclásticos es una función del desgaste de la partícula, pero puede no tener significadoexacto alguno en los sedimentos no clásticos. Los cristales pueden estar dispuestos enuna forma laminar o fibrosa, o bien pueden ser cristales voluminosos fuertes como los quese desarrollan por el crecimiento normal a las paredes de una cavidad abierta, de modoque puede estar presente la trama sedimentaría. Las texturas de las rocas no clásticas seforman por uno o más de los procesos siguientes, actuando solos en combinación: 1)cristalización directa o reacción inorgánica entre las sales directas disueltas; 2)crecimiento de los cristales y agrandamiento dentro de un agregado, o 3) remplazamiento,tal como la dolomitización y la silificación. Una textura no clástica típica consiste de unconjunto de cristales entrelazados, como los ostenta la sal gema, tanto, que no hayespacios porosos intergranulares visibles.



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ESTRUCTURAS DE LAS ROCAS SEDIMENTARIAS

Estratificación.- La característica por la cual se reconoce inmediatamente en el campouna roca sedimentaria es su disposición en capas o en estratos. Un estrato es una capaindividual de roca con espesor de 1 cm, o mayor, separada del estrato superior y del

inferior por un cambio marcado de fitología o por una separación física (plano deestratificación). Una lámina es semejante a un estrato, pero su espesor es menor de 1cm. Algunos depósitos de grano muy grueso son casi masivos o no estratificados, peroraras veces están completamente ausentes las trazas de una estratificación tosca(estratificación masiva).

Estratos

La laminación de las rocas de grano fino pueden originarse por la alteración de capasgranulares con capas arcillosas o por el paralelismo de los granos planos y los mineralesen hojuelas o escamosos. La Fisilidad caracteriza a las lutitas que se dividen igualmenteen capas delgadas de espesor uniforme, en contraste con el desconchamiento de los

mantos gruesos.

Estratificación

Gradual.- Tiene partículas cuyo tamaño va pasando gradualmente degruesa a finas y de abajo hacia arriba en bandas o fajas de algunos metros de espesorque se repiten con gran regularidad en una formación. La estratificación gradual esevidentemente el resultado de la sedimentación pulsatoria relativamente rápida bajoambientes geológicos inestables, y es típico de algunas areniscas en secuenciasgeosinclinales.

ESTRATIFICACIÓN CRUZADA.- La estratificación cruzada es una característica comúnde muchas areniscas granulares, aunque mucho menos en las calizas. Es una disposición

de láminas transversal al plano de estratificación, en líneas rectas inclinadas o en formascóncavas. Las laminaciones cruzadas tangenciales al plano inferior de estratificación ytruncadas en su parte superior son características.

LAS ROCAS METAMÓRFICAS

El metamorfismo es la transformación de un tipo de roca en otro. Las rocas metamórficaspueden formarse a partir de rocas ígneas, sedimentarías incluso de otras rocasmetamórficas. El metamorfismo es un nombre muy apropiado para este proceso quesignifica literalmente “cambio de forma”. Los factores del metamorfismo son el calor, la



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presión (el esfuerzo) y los fluidos químicamente activos. Los cambios que se producenson texturales y mineralógicos. El metamorfismo se produce de manera incremental,desde un cambio ligero (grado bajo) a cambios notables (grado alto). Por ejemplo, bajometamorfismo de grado bajo, una roca sedimentaría común como la lutita se convierte enuna roca metamórfica más compacta denominada pizarra. Las muestras de mano de

estas rocas son difíciles de distinguir. En otros casos, el metamorfismo de grado altoproduce una transformación tan completa que no puede determinarse la identidad de laroca original. En el metamorfismo de grado alto, desaparecen rasgos como los planos deestratificación, los fósiles y las vesículas que puedan haber existido en la roca original.

Pizarra

El metamorfismo tiene lugar cuando las rocas están sometidas a condicionesdiferentes a las de su formación. En respuesta a esas nuevas condiciones, las rocasinestables cambian gradualmente hasta alcanzar un estado de equilibrio con el nuevoambiente. La mayoría de los cambios metamórficos ocurren bajo las temperaturas y

presiones elevadas que existen en la zona que se extiende desde unos pocos kilómetrospor debajo de la superficie terrestre hasta el límite corteza-manto.

El metamorfismo ocurre casi siempre en uno de estos tres ambientes:

1.- Cuando /a roca ésta cerca de una masa ígnea o tocándola tiene lugar elmetamorfismo de contacto. Aquí los cambios están causados fundamentalmente por laselevadas temperaturas del material fundido, que produce el efecto ―de calentar‖ las rocascircundantes.

2.- El tipo menos común de metamorfismo ocurre a lo largo de zonas de falla y sedenomina metamorfismo cataclástico o dinámico. Aquí las rocas se rompen ypulverizan conforme las rocas situadas en los lados opuestos de una falla se trituran alproducirse el desplazamiento de ésta.

3.- Durante la formación de montañas, grandes cantidades de rocas están sometidas apresiones dirigidas y a elevadas temperaturas asociadas con deformaciones a granescala. En este entorno tiene lugar el metamorfismo regional. El resultado final puedenser extensas áreas de rocas metamórficas.



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Con mucho mayor volumen de rocas metamórficas se produce durante el metamorfismoregional, junto con la formación de montañas. Aquí grandes segmentos de la cortezaterrestre se deforman enormemente mediante pliegues y fallas. Además, en las zonasdonde el metamorfismo es más intenso pueden generarse magmas. Por tanto, las áreasafectadas por metamorfismo regional tienen frecuentemente zonas de metamorfismo de

contacto, así como metamorfismo cataclástico.FACTORES DEL METAMORFISMO

Como Se indico antes, los factores del metamorfismo son el calor, la presión (esfuerzo)y fluidos químicamente activos.

El Calor como Factor Metamórfico.- Quizá el factor más importante del metamorfismosea el calor, porque proporciona la energía que impulsa los cambios químicos queresultan en la recristalización de los minerales. Las rocas formadas cerca de la superficiede la tierra pueden estar sometidas a un calor muy intenso cuando son intruidas pormaterial fundido que asciende desde abajo. Los efectos de este metamorfismo decontacto se pones de manifiesto cuando ocurren en la superficie, o cerca de ella, donde elcontraste de temperatura entre el magma y al roca huésped es más pronunciado. Aquí lamaga ascendente ―cuece‖ la roca huésped. En este ambiente de temperatura elevada ybaja presión, el límite que separa la intrusión magmática y la roca alterada suele serbastante neto.

Presión y esfuerzo como Factores Metamórficos.- la presión, como la temperatura,también aumentan con la profundidad. Las rocas enterradas están sometidas a la fuerza,o esfuerzo ejercido por la carga que tienen encima. Esta presión de confinamiento esanáloga ala presión hidrostática, donde la fuerza se aplica igualmente en todasdirecciones. Cuando más se profundiza en el océano, mayor es la presión ejercida. Lomismo ocurre en el caso de las rocas profundas. Las fuerzas que son distintas segúncada dirección, se denominan Esfuerzos diferenciales. Lo más frecuente que esasfuerzas diferenciales sean compresivas y actúen para acortar un volumen de roca.

En algunos ambientes, sin embargo, los esfuerzos son tensionales y tienden alargar, o aseparar, las masas rocosas. Los esfuerzos diferenciales también pueden cizallar unaroca. El cizallamiento es similar al deslizamiento que se produce entre los naipes cuandose sostiene una baraja entre los años y deslizan aquellos en direcciones opuestas,cizallando la baraja.

La Actividad Química como Factor Metamórfico.- Los fluidos químicamente activospotencian también los procesos metamórficos. Lo más frecuente es que el fluido sea aguaque contenga iones en solución.

El agua es abundante, porque hay en los poros de prácticamente todas las rocas. Ademásmuchos minerales están hidratados (tienen agua asociada mediante enlaces químicos) y,por tanto, contienen agua dentro de sus estructuras cristalinas.

Cuando se produce enterramiento profundo, las rocas se compactan más, reduciendo elvolumen de sus poros. Por tanto, el agua expulsada de la roca resulta asequible para



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reacciones químicas. Además el calentamiento causa deshidratación de los minerales y laliberación del agua. El agua que rodea a los cristales actúa como catalizador al ayudar ala migración ioniza. En algunos casos, el agua promueve la recristalización de losminerales, que forman configuraciones más estables. En otros casos, el intercambioiónico entre los minerales tiene como consecuencia la formación de minerales

completamente nuevos.ROCAS METAMÓRFICAS COMUNES

El metamorfismo produce muchos cambios en las rocas, entre ellos un aumento de sudensidad, crecimiento de cristales más grandes, reorientación de los granos minerales, loque da alas rocas un aspecto planar bandeado, conocido como foliación y latransformación de los minerales de baja temperatura en minerales de alta temperatura.

ROCAS FOLIADAS

Pizarra.- La pizarra es una roca foliada de grano muy fino compuesta por pequeñoscristales de mica. La característica más destacada de la pizarra es su excelente foliación,o tendencia a romperse en láminas planas. La pizarra se origina casi siempre por elmetamorfismo en grado bajo de lutitas. El color de la pizarra depende de susconstituyentes minerales. Las pizarras negras (carbonácea) contiene materia orgánica(portadora de carbón), las pizarras rojas deben a su color al oxido de hierro y a las verdesnormalmente contienen clorita, un mineral semejante a la mica formada por elmetamorfismo de silicatos ricos en hierro.

FILITA.- La filita representa una gradación en el metamorfismo entre la pizarra y elesquisto. Sus minerales planares son más grandes que los de la pizarra, pero no lobastante como para ser claramente identificables a simple vista. Aunque la filita parecesimilar a la pizarra, puede distinguirse con facilidad por su brillo satinado (contienecristales muy finos de moscovita o clorita).

Filita

ESQUISTO.- Los esquistos son rocas muy foliadas que pueden romperse con facilidaden pequeñas placas o láminas. Por definición, contienen más del 20% de mineralesplanares y alargados que normalmente incluyen las micas (moscovita, biotita) y el anfíbol.



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El termino esquisto describe la textura de una roca. Para indicar la composición, seutilizan también los nombres de sus minerales. Por ejemplo los esquistos compuestosprincipalmente por las micas moscovitas y biotita se denominan micaesquistos.Esquistos con clorita (esquistos verdes).

GNEISS.- Gneiss es el termino aplicado a las rocas metamórficas bandeadas quecontiene esencialmente minerales alargados y granulares (en oposición a los planares).Los minerales más comunes en el Gneiss son el cuarzo, feldespato potásico y laplagioclasa. Son comunes también en cantidades menores de moscovita, biotita yhorblenda, En los Gneiss tiene lugar una segregación de silicatos claros y oscuros,dándoles un aspecto bandeado característico. Los Gneiss bandeados son habitualmentedeformados por pliegues mientras están en estado plástico. Algunos Gneiss se rompen alo largo de las capas de los minerales planares, pero la mayoría se rompe de una manerairregular. Los Gneiss tienen una composición similar a la del granito y derivanprobablemente de éste o de su equivalente afanítico (riolita).

Gneiss deformado y plegado

ROCAS NO FOLIADAS

MÁRMOL.- El mármol es una roca cristalina de grano grueso que se deriva de calizas odolomitas. El mármol puro es blanco y esta compuesto esencialmente por calcita.

Dado su atractivo color y su relativa blandura (dureza 3), el mármol es una piedra deconstrucción usada en los grandes edificios. Por desgracia, dado que el mármol esbásicamente carbonato de calcio, es fácilmente atacado por la lluvia ácida. Algunosmonumentos históricos y lápidas muestran ya una intensa meteorización química. Amenudo, la caliza a partir de la cual contiene impurezas que lo colorean. Por tanto elmármol puede ser rosa, gris, verde o incluso negro. Cuando el mármol se forma a partirde calizas interestratificadas con lutitas, aparece bandeado.

CUARCITA.- La cuarcita es una roca metamórfica muy dura casi siempre formada a partirde areniscas rica en cuarzo. Bajo condiciones de metamorfismo de grado moderado aelevado, los granos de cuarzo de la arenisca se funden como briznas de vidrio. Larecristalización es tan completa que cuando se rompe, la cuarcita no se escinde entre losgranos de cuarzo originales, sino a través de ellos.



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ESTRUCTURAS DE LAS ROCAS METAMÓRFICAS

Estructura Foliada.- bajo condiciones más extremas, la presión provoca que los granosminerales de una roca hagan mucho más que, simplemente realinearse. La presión puedehacer que ciertos minerales recristalicen. En general, la recristalización fomenta el

crecimiento de cristales más grandes. La alineación mineral resultante normalmenteproporciona a la roca una estructura en láminas o en bandas denominada foliación.Dicho sencillamente, se produce una estructura foliada siempre que los minerales y lascaracterísticas estructurales de una roca metamórfica se vean forzados a un alineamientoparalelo. Foliadas (del latín foliun, hoja) son debidas al paralelismo de los minerales, ysegún el grado de perfección de las superficies paralelas, se pueden dividir en: pizarroso(la más perfecta), esquistosa y estructura gnéisica (la menos perfecta).

Según el grado de perfección de las superficies paralelas, se pueden dividir en: pizarroso(la más perfecta), esquistosa y estructura gnéisica (la menos perfecta).

ESTRUCTURA NO FOLIADA.- No todas las rocas metamórficas tienen estructurasfoliadas. Las que no lo tienen se denominan no foliadas. Las rocas metamórficascompuestas solo de un mineral cuyos cristales se caracterizan por tener un habitoequidimensional, suelen tener una foliación no apreciable a simple vista. No foliadas serefiere a rocas metamórficas generalmente masivas.

TEXTURAS DE LAS ROCAS METAMÓRFICAS

La trama de una roca metamórfica se desarrolla en un medio continuamente sólido porcrecimiento de los cristales, los cuales compiten unos a otros para ganar espaciodisponible y recristalizar simultáneamente. Becke propuso la palabra blástico (del gr.blastos, germinación) como sufijo o un prefijo en la nomenclatura de tramas metamórficaspara distinguirlas de las tramas ígneas superficialmente similares.

CRISTALOBLÁSTICAS.- son debidas principalmente a la recristalización con desarrollode forma de cristal (indica la recristalización por presión dirigida).

GRANOBLÁSTICA.- Cuando los minerales metamórficos tienen un hábito granular(granos más o menos equidimensionales).

Poikiloblástica.- Denota un porfiroblasto que contiene inclusiones de otros minerales. Eltérmino es semejante al de pórfido ígneo, pero sin connotación alguna de cristalización apartir de una masa de silicatos fundida. También es aquella en la que ocurren mineralesmetamórficos relativamente grandes o porfiroblastos de una o más especies en una matrizde granos más pequeños.

CATACLÁSTICA.- Son aquellas rocas fracturadas y fragmentadas desarrolladas pordeformación mecánica de metamorfismo cataclástico o dinámico sobre rocas duras yfrágiles.

LEPIDOBLÁSTICA.- Contiene una notable proporción de minerales laminares o escamas(mica o clorita) los cuales exhiben una foliación.



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NEMATOBLÁSTICA.- Contiene una notable proporción de minerales prismáticos(anfíboles) los cuales exhiben un alineamiento preferencial.

ROCASMETAMÓRFICAS

Pizarra

TEXTURA

Granoblástica

ESTRUCTURAROCA

INICIAL

Lutitas

TIPO DEMETAMORFISMO

Grado bajo

COMENTARIOS

Grano muy fino.Foliada

Filita Poikiloblástica Foliada Lutitas Grado bajo Grano fino a medio.

Esquisto Cataclástica Foliada Basalto Grado intermedio Minerales diversosde grano grueso

Gneiss

Mármol

Cristaloblástica Foliada Granito Grado alto

Grado alto

De grano grueso.

Granos de calcitaLepidoblástica No foliada Caliza

Cuarcita Nammatoblástica No foliada arenisca Grado intermedio Granos de

cuarzointercrecidos

PRINCIPALES MINERALES FORMADORES DE ROCAS

La corteza terrestre y los océanos son fuente de una amplia variedad de minerales útiles yesenciales. De hecho prácticamente todos los productos fabricados contienen materialesobtenidos de los minerales. La mayoría de la gente está familiarizada con los usoscomunes de muchos metales básicos, entre ellos el aluminio de las latas de bebida, elcobre de los cables eléctricos y el oro y la palta en joyería. Pero algunas no saben que la

mina de un lapicero contiene el mineral de tacto graso denominado grafito y que lospolvos de talco que se utilizan en los bebes proceden de una roca metamórficacompuesta por el mineral talco. Además muchos no saben que las brocas utilizadas porlos dentistas para taladrar el esmalte de los dientes esta impregnadas de diamante, o queel mineral común cuarzo es la fuente del silicio para los chips de ordenador.

COMPOSICIÓN DE LOS MINERALES.- Cada uno de los 4000 minerales de la tierra estáexclusivamente definido por su composición química y su estructura interna. En otraspalabras, cada muestra del mismo mineral contiene los mismos elementos reunidos en unmodelo regular y repetitivo. Revisaremos primeros los componentes básicos de losminerales, los elementos, y luego examinaremos cómo los elementos se reúnen para

formar estructuras minerales. En la actualidad se conocen 112 elementos. De ellos, sólo92 aparecen de forma natural. Algunos minerales como el oro y el azufre, estáncompuestos exclusivamente de un elemento. Pero la mayoría consta de dos o máselementos, reunidos para formar un compuesto químicamente estable.

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS MINERALES.- Los minerales son sólidos formadospor procesos inorgánicos. Cada mineral tiene una disposición ordenada de átomos(Estructura cristalina) y una composición química definida, que le proporciona un conjuntoúnico de propiedades físicas. Dado que la estructura interna y la composición química de



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un mineral son difíciles de determinar sin la ayuda de ensayos y aparatos sofisticados, sesuelen utilizar en su identificación las propiedades físicas más fácilmente reconocibles.

FORMA CRISTALINA.- la forma cristalina es la expresión externa de un mineral querefleja la disposición interna ordenada de átomos. En general dondequiera que se permita

la formación de un mineral sin restricciones de espacio, desarrolla cristales individualescon caras cristalinas bien formadas. Algunos cristales, como los del mineral cuarzo, tienenuna forma cristalina muy clara que puede ser útil en su identificación. Sin embargo, casisiempre el crecimiento cristalino es interrumpido debido a la competición por el espacio, loque se traduce en una masa de intercrecimiento de cristales, ninguno de los cuales exhibesu forma cristalina.

BRILLO.- El brillo es el aspecto o la calidad de la luz reflejada de la superficie de unmineral. Los minerales que tiene el aspecto de metales, con independencia del color, sedice que tiene un brillo metálico. Los minerales con brillo no metálico se describenmediante diversos adjetivos, entre ellos vítreo, perlado, sedoso, resinoso y terroso (mate).

COLOR.- Aunque el color es una característica obvia de un mineral, a menudo es unapropiedad diagnóstica poco confiable. Ligeras impurezas en el mineral común cuarzo, porejemplo, le proporciona una diversidad de colores, entre ellos el rosa, el púrpura(amatista) blanco e incluso negro. Cuando un mineral, como el cuarzo, exhibe unavariedad de colores, se dice que posee coloración exótica.

DUREZA.- Una de las propiedades diagnósticas más útiles es la dureza, una medida dela resistencia de un mineral a la abrasión o al rayado. Esta propiedad se determinafrotando un mineral de dureza desconocida con uno de dureza conocida, o viceversa.Pude obtenerse un valor numérico utilizando la escala Mosh de dureza, que consiste endiez minerales dispuestos en orden desde el 1 (el más blando) hasta el 10 (el más duro).

ESCALA DE DUREZA DE MOSH Escala relativa Mineral Dureza de algunos objetos comunes

El más duro 10 Diamante9 Corindón8 To acio7 Cuarzo6 Ortoclasa Nava a5 A atito Vidrio 5.5 corta lumas4 Fluorita3 Calcita Moneda de cobre 32 Yeso Uña 2.5

El más blando 1 Talco

Exfoliación.- En la estructura cristalina de un mineral, algunos enlaces son más débilesque otros. Esos enlaces se sitúan en los puntos en los cuales un mineral se romperácuando se someta a tensión. La exfoliación es la tendencia de un mineral a romperse alo largo de planos de enlaces débiles. No todos los minerales tienen planos definidos deenlaces débiles, pero los que poseen exfoliación pueden ser identificados por sussuperficies lisas distintivas, que producen cuando se rompe el mineral.



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FRACTURA.- Los minerales que no exhiben exfoliación cuando se rompen, como elcuarzo, se dice que tiene fractura. Los que rompen en superficies curvas lisas querecuerdan a vidrios rotos tiene una fractura concoide. Otros se rompen en astillas, perola mayoría de los minerales se fracturan de forma irregular.

PESO ESPECÍFICO.- El peso específico es un número que representa el cociente entre elpeso de un mineral y el peso de un volumen igual de agua. Por ejemplo si un mineral pesatres veces un volumen igual de agua, su peso específico es 3.

SILICATOS COMUNES.- Los silicatos son el grupo mineral más abundante y tienen comocomponente básico el Ion silicato (Si04). Los feldespatos son con mucho el silicato másabundante, que comprende más del 50% de la corteza terrestre. El cuarzo, el segundomineral más abundante de la corteza continental, es el único mineral común compuestocompletamente por silicio y oxígeno. La mayoría de los silicatos se forman (cristalizan)conforme la roca fundida se va enfriando. Este enfriamiento puede producirse en lasuperficie terrestre, cerca de ella (temperatura y presión bajas) o a grandes profundidades(temperatura y presión elevadas). El ambiente durante la cristalización y la composiciónquímica de la roca fundida determinan en gran medida qué minerales se producen. Porejemplo, el silicato olivino cristaliza a temperaturas elevadas, mientras que el cuarzocristaliza a temperaturas mucho más bajas.

SILICATOS FERROMAGNESIANOS (OSCUROS).- Los silicatos oscuros(oferromagnesianos) son los minerales que contienen iones de hierro (hierro = ferro) omagnesio, o ambos, en su estructura. Debido a su contenido de hierro, los silicatosferromagnesianos tienen un color oscuro y un mayor peso especifico, entre 3.2 y 3.6, que los silicatos no ferromagnesianos. Los silicatos oscuros más comunes son elolivino, los piroxenos, los anfíboles, la mica negra (biotita) y el granate .

EL OLIVINO.- Es una familia de silicatos de temperatura elevada cuyo color oscila entre elnegro y el verde oliva, con brillo vítreo y una fractura concoide. En vez de formar cristalesgrandes, el, divino forma normalmente cristales pequeños y redondeados que dan a lasrocas constituidas por él un aspecto granular. El olivino no posee exfoliación.

LOS PIROXENOS.- Son un grupo de minerales complejos que se considerancomponentes importantes del manto terrestre. El miembro más común, la augita, es unmineral negro y opaco con dos direcciones de exfoliación que se encuentran a un ángulode casi 90°. La augita es uno de los minerales dominantes en el basalto, una roca ígneacomún de la corteza oceánica y de las áreas volcánicas de los continentes.

LA HORBLENDA.- Es el miembro más común de un grupo químicamente complejo deminerales denominados anfíboles. La horblenda suele tener un color de verde oscuro anegro y, excepto por sus ángulos de foliación, que son de alrededor de 60° y 120°, es muysimilar a la augita. En una roca, la horblenda a menudo forma cristales alargados. Esoayuda a distinguirla del piroxeno, que forma cristales alargados. La horblenda seencuentra predominantemente en las rocas continentales, donde a menudo compone laporción oscura de una roca por demás clara.



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LA BIOTITA.- Es el miembro de color negro, rico en hierro de la familia de las micas.Como otras micas, la biotita posee una estructura laminar que produce una excelenteexfoliación en una dirección. La biotita tiene también un aspecto negro brillante que ayudaa distinguirla de otros minerales ferromagnesianos oscuros. Como la horblenda, la biotitaes un constituyente común de las rocas continentales, entre ellas la roca ígnea granito.

EL GRANATE.- Es similar al olivino en que su estructura esta compuesta por tetraedrosindividuales vinculados por iones metálicos. También como el olivino, el granate tiene brillovítreo, carece exfoliación y posee fractura concoide. Aunque los colores del granate sonvariados, el color de este mineral oscila más a menudo entre el marrón y el rojo oscuro. Elgranate se encuentra con más frecuencia en las rocas metamórficas.

SILICATOS NO FERROMAGNESIANOS (CLAROS).- Como su nombre lo indica, lossilicatos claros(o no ferromagnesianos) tienen generalmente un color claro y un pesoespecífico de alrededor de 2.7, que es considerablemente inferior al de los silicatosferromagnesianos. Estas diferencias son fundamentalmente atribuibles a la presencia dehierro y magnesio. Los silicatos claros contienen cantidades variables de aluminio,potasio, calcio y sodio, más que hierro y magnesio.

LA MOSCOVITA.- Es un miembro común de la familia de la micas. Su color es claro ytiene un brillo perlado. Como otras micas, la moscovita tiene una excelente exfoliación enuna dirección. En láminas finas, la moscovita es transparente, una propiedad que explicasu utilización como vidrio de las ventanas durante la edad media. Dado que la moscovitaes muy brillante, a menudo puede identificarse, por los destellos que proporciona, a unaroca. Incluso si alguna vez ha mirado de cerca la arena de la playa, quizás haya visto elbrillo resplandeciente de las escamas de mica dispersas entre los otros granos de arena.

El feldespato es el grupo mineral más común, puede formarse bajo un intervalo muyamplio de temperaturas y presiones, un hecho que explica su abundancia. Tiene dosplanos de exfoliación que se encuentran a 90 °, o cerca, son relativamente duros (6 en laescala de Mosh) y tienen un brillo que oscila entre vítreo y perlado. Como componentesde una roca, los cristales de feldespato pueden identificarse por su forma rectangular ysus caras brillantes bastante lisas.

LA ORTOCLASA (ORTOSA).- Es un miembro común de un grupo de feldespatos quecontienen iones de potasio en su estructura. El otro grupo, denominado plagioclasas,contiene iones sodio y calcio que sustituyen libremente unos a otros dependiendo delambiente existente durante la recristalización. La ortosa suele ser de color crema claro arosa salmón. El color de las plagioclasas, por otro lado, oscila entre blanco y grisáceo.Sin embargo, el color no debe utilizarse para distinguir estos grupos. La única formasegura de distinguir físicamente los feldespatos es buscar una multitud de finas líneasparalelas, denominadas estriaciones. Las estuaciones se encuentran en algunos planosde exfoliación de las plagioclasas, pero que no están presentes en la ortoclasa.

EL CUARZO.- Es el único mineral común de los silicatos formado completamente desilicio y oxigeno. Como tal, el cuarzo se le aplica el término de sílice, que tiene formulaquímica (Si02). Dado que la estructura del cuarzo contiene una porción de dos iones deoxigeno (O2) por cada Ion silicio (Si), no se necesitan otros iones positivos para alcanzar



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la neutralidad. El cuarzo es duro, resistente a la meteorización y no muestra exfoliación.Cuando se rompe, suele exhibir fractura concoide. En su forma pura, el cuarzo estransparente y se deja solidificar sin interferencia forma cristales hexagonales quedesarrollan extremos en forma piramidal. Sin embargo, como la mayoría de los otrosminerales claros, el cuarzo suele estar coloreado por la inclusión de diversos iones

(impurezas) y se forma sin desarrollar buenas caras cristalinas. Las variedades máscomunes de cuarzo son el cuarzo lechoso (blanco), el ahumado (gris), el rosa (rosa), laamatista (púrpura) y el cristal de roca (transparente).

Cuarcita

LA ARCILLA.- Es un termino utilizado para describir una variedad de minerales complejosque, como las micas, tiene estructura laminar. Los minerales arcillosos suelen ser degrano muy fino y sólo pueden estudiarse al microscopio. La mayoría de los mineralesarcillosos se origina como producto de la meteorización química (intemperismo) de otros

silicatos. Por tanto, los minerales de arcilla constituyen un gran porcentaje del mineralsuperficial que denominamos suelo. Uno de los minerales más comunes es la caolinita, que se utiliza en la fabricación de porcelana y en la producción de papel satinado.

Además, algunos minerales de la arcilla absorben grandes cantidades de agua, lo que lespermite hincharse hasta varias veces su tamaño normal.

LOS CARBONATOS.- Son estructuralmente más sencillos que los silicatos. Este grupomineral esta compuesto por el Ion carbonato (CÜ32

’) y una o más clases de ionespositivos. Los dos carbonates minerales más comunes son la calcita, CaCO3 (carbonatocalcio) y la dolomita, CaMg (CO3)2 (carbonato de caldo/magnesio).



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TABLA DE LAS PRINCIPALES PROPIEDADES DE LOS MINERALES FORMADORES DE ROCAS

NOMBRE COMPOSICIÓN SISTEMACRISTALINO

DUREZA YPESOESPECIFIC

BRILLO COLOR RAYA EXFOLIACIÓN

Olivino (Mg,Fe)2Si04 Ortorrómbico 61/2 - 7

3.27-4.37

Vítreo Verde Oliva a

risáceo

Incolora Imperfecta

Piroxeno (Mg,Fe)Si03 Ortorróbico yMonoclínico

5 1/2 - 63.2-3.6

Vítreo operlado

Grisáceo Amarillo,Verde oliva

Exfoliaciónbuena

Horblenda Ca2(Fe,Mg)5Si8

022(OH)2 Monoclínico 5-6

3.2Vítreo Verdoso

oscuro-ne ruzco

Prismáticaperfecta

Biotita K(Mg,Fe)3 AISi3 monoclínico 3 1/2 – 53.0-3.1

reluciente Rosado,blando Blanca Basal perfecta

Granate A3B2(Si04)3 Isométrico 6 ½-71/23.5-4.3

Vítreo aresinoso

Rojo, castañoVerde, ne ro

Blanca

Moscovita HAl2(AISi3O10)(OH)2

monoclínico 2 – 21/22.76 - 2.88

vítreo AmarilloVerdoso, rojizo

Extremadamenteperfecta

Ortoclasa KAlSi3O8 Monoclínico 6 - 2.57 vítreo Gris, rojocarne

blanca Dosexfoliaciones

Plagioclasa (Ca,Na)AISi3O8 Triclínico 6.02.62 - 2.76

Vítreo aperlado

Blanco, grisverdoso

Perfecta

Cuarzo SiO2 Hexagonal 72.65

Vítreograso

Blanco,coloreado conim urezas

concoide

Arcilla caolinita

(S¡40io)AHOH)8

Triclínico 2 2.6 Terrosomate

blanco Perfecta

Calcita CaCC>3 Hexagonal 321/2

Vítreoterroso

Grisáceo,rojizo verdoso

Perfecta

GEOLOGIA ESTRUCTURAL (DISCONTINUIDADES)

Para una mejor comprensión del comportamiento de una obra civil en un sitiodeterminado, se necesita conocer las estructuras geológicas y discontinuidades de lasrocas y/o suelos donde quedará asentada la estructura como son: pliegues, fallas, juntaso diaclasas, fracturas, foliación, estratificación, discordancias.

A continuación se hará una descripción de estas estructuras y discontinuidades haciendoénfasis en las características que deben tomarse en cuenta para un estudio geotécnico.

PLIEGUES.- Es importante reconocer los diferentes tipos de pliegues en el campo,describiendo su orientación, rumbo, dimensiones e intensidad. A veces los plieguespueden influir en la elección del sitio para el emplazamiento de la cortina de una presa, deun túnel o una carretera.

De entre los diferentes tipos de pliegues, los sinclinales tienen mucha importancia eningeniería, como consecuencia de su capacidad para acumular fluidos. Hay seriosproblemas de aguas subterráneas que pueden afectar la construcción y mantenimiento enservicio de túneles que cortan sinclinales en que existan estratos permeables. Si se pone



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de manifiesto un sinclinal de este tipo, antes del período de proyecto, podría variarse laelevación del túnel planeando con objeto de situarlo en estratos más secos.

FALLAS.- Una falla es una estructura geológica donde existe rompimiento ydesplazamiento apreciable de las rocas de la corteza terrestre. Tienen gran importancia y

trascendencia y son susceptibles de ocasionar graves y lamentables problemas eningeniería civil pudiendo determinar la exclusión de un emplazamiento por razones deseguridad o condicionar la vialidad de proyecto por razones técnicas y/o económicas.

Estos accidentes tectónicos, o no, pueden ser de diferentes longitudes, pudiendo llegar amedir hasta centenas de kilómetros; dependiendo de la edad, y desde luego si son o noactivas, como se verá más adelante, las fallas pueden generar terremotos a los largo deellas, causando daño y destrucción de las estructuras construidas sobre ellas o en lavecindad, por la energía liberada. Estos fenómenos también pueden cambiar laspropiedades geotécnicas del terreno, disminuyendo la resistencia, modificando lascondiciones de permeabilidad: poniendo en contacto formaciones litológicas distintas yactivar en la mayoría de los casos la erosión diferencial. Una falla activa es aquella fallaque se ha movido en el pasado geológico reciente y que pueden moverse en el próximofuturo. Por pasado geológico reciente se entiende el Holoceno (últimos 10 000 años) y porpróximo futuro a la vida de la estructura. La AIZA propuso además el término de fallacapaz semejante al de falla activa definiéndola como aquella falla que ha presentadodeformación tectónica en los últimos 500 000 años o cualquier otra falla en relaciónestructural con la primera, o con macrosismicidad asociada.

Sin embargo, aunque no se presentan todos estos problemas sobre todas las fallas, es desumo interés para el desarrollo nacional, bienestar de la sociedad y futuros asentamientoshumanos, conocer los problemas que pudiera ocasionar la presencia de una falla conrelación a las obras civiles.Por lo tanto, el geólogo además de identificar en el campo una falla, deberá precisar lassiguientes características que en ocasiones son difíciles o imposibles (a vecesmomentáneamente) de determinar. Entre estas características están:

-La orientación.

-La distribución.

-La longitud.

-La orientación y magnitud de salto neto y en ocasiones sus componentes dedesplazamiento.

-Su clasificación (decir si es normal, inversa o de transcurrencia).

-La edad (sobre todo si se trata de fallas recientes, que pueden ser activas.).

-Amplitud, presencia o no de relleno, tipo de pared (lisa, alabeada, rugosa, o con estrías orelices).



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-La disposición y relación con otras estructuras.

-El estado mecánico, es decir si se trata de fallas tensionales, compresionales o de cizalla.

-La determinación de si es activa o inactiva.

FRACTURAS.- Es un término general para cualquier rotura en roca, sea esto causa o node desplazamiento, debido a esfuerzos de tensión. Las fracturas tienen una aberturamayor que las fisuras.Son una manifestación de la intensidad y dirección de los movimientos neotectónicos. Suestudio se realiza cuantificando sus orientaciones (mediante la roseta de fracturas) ydesarrollo (densidad). En una zona de cizalla se presentarán en mayores cantidades.También es necesario determinar o no relleno y que características presenta éste.

JUNTAS O DIACLASAS.- Son fracturas en una roca, generalmente más o menosverticales o transversales a la estratificación, a lo largo de las cuales no ha ocurrido unmovimiento apreciable. La superficie de fracturamiento es usualmente plana y siempreocurren en grupos paralelos. Se estudian de la misma manera que las fracturas.

DISCORDANCIAS.- Son accidentes estructurales que presentan ausencia decorrespondencia o conformidad entre rocas o capas de roca, plegadas o no, horizontales,inclinadas o verticales de modo que presentan diversas inclinaciones. Las discordanciasson evidencias de que han existido movimientos orogénicos o epirogénicos, períodos deerosión y posterior sedimentación, se trata de discontinuidades que pueden correspondera zonas de debilidad o permeabilidad y que por lo regular corresponden a cambiosnotables de litología.

ESTRATIFICACIÓN.- Es la disposición de las capas o estratos de un terreno,representada por un plano o superficie de discontinuidad. Este plano o superficie dediscontinuidad puede ser abierto o solo ser definido por un cambio de coloración de laroca depositada.

FOLIACIÓN.- (del latín foliun, hoja) son debidas al paralelismo de los minerales laminaresy según el grado de perfección de las superficies paralelas, se pueden dividir en:

Pizarroso (la más perfecta), esquistosa y estructura gnéisica (la menos perfecta).

CONTACTO GEOLÓGICO.- Es el contacto de dos rocas que pueden ser o no del mismo

origen pero deben ser de diferente litología (mineralogía).



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CAPÍTULO 3

ETAPAS DE INVESTIGACIÓN DE UN SITIO

IMPORTANCIA DE LA GEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN

La geología es la ciencia que estudia la tierra. La estudia tanto en lo que respecta a suconstrucción, estructura y arquitectura, como lo relativo a todos aquellos fenómenos queen orden cronológico han venido a modificarla; modificación debida a los esfuerzosoriginados dentro de ella (Geodinámica interna) y al trabajo incesante de los diversosagentes de intemperismo, erosión y sedimentación. Dicho de otra manera y considerandodesde luego la geología se esfuerza en establecer la historia de la tierra. Ahora bien, enaquella parte de la corteza terrestre donde con mayor acción ejercen su influencia losdiversos agentes tectónicos, de intemperismo, erosión y deposito donde el hombrelevanta sus edificios y monumentos, es done la geología desde el punto de vista de laconstrucción, tiene su máxima aplicación.

Se trata no de una geología que se pierda en definiciones, vocablos o en términos noconocidos por le constructor o descripciones de flora y fauna de épocas geológicaspasadas, que nada tiene que ver en la geotecnia, sino en una geología a pequeña escala,a escala de relojería (del 1:50 a 1:5000) que nos hable del comportamiento presente yfuturo del macizo rocoso sobre el cual va ser construida la obra, teniendo en cuenta:

Litología, discontinuidades, geomorfología, hidrogeología, la evolución histórica reciente ylos fenómenos de Geodinámica interna y externa.Con la idea de hacer resaltar la importancia de la geología en la construcción, se verán acontinuación las interrogantes que puedan presentarse al constructor de presas, de

puertos, de obras subterráneas, etc.

Ténganse en cuenta que estas interrogantes solo, podrán ser contestadas una vez que serealiza un estudio geotécnico detallado, que comprenda trabajos de cartografía geológica,perforaciones, pozos a cielo abierto, socavones, aplicación de algún o algunos métodosgeofísicos, investigaciones de laboratorio e inclusive, si es posible después de llevar elmodelo geológico a la computadora.

INTERROGANTES EN PRESAS

¿Se desplantara la cortina en roca sana o por lo contrario en roca defectuosa?

¿Qué tipo y volumen de roca o materiales será necesario remover en la zona decimentación de la cortina?

¿Cuál será el espesor del relleno o depósito aluvial en la zona del cauce?

¿Existen accidentes estructurales, fallas o fracturas, que pongan en peligro la estabilidadde la cortina?

¿Será necesario un tratamiento de la zona o las zonas defectuosas?



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¿Presentan las laderas fenómenos de Geodinámica externa (reptación, avalanchas odeslizamientos) que den lugar a problemas de inestabilidad?

¿Es aceptable la calidad de los materiales en la zona del vertedor y la obra de toma?

¿Habrá problemas de erosión regresiva o fenómenos de intemperismo que afecten lasdos obras auxiliares anteriormente mencionadas?

¿El vaso de almacenamiento y la zona de la cortina serán impermeables?

¿Habrá problemas de deslizamiento en la zona de embalse, que pudieran tenerconsecuencias trabajando a presa llena?

¿Serán satisfechas las necesidades de materiales de construcción en la vecindad de laobra, como agregados, enrocamiento o de arcilla?

¿Serán susceptibles de utilizar en la construcción, los materiales removidos en lasexcavaciones que haya necesidad de realizar?

¿Cuál será el riesgo sísmico de la zona?

¿Cuál será la vida útil de la presa, teniendo en cuenta el volumen de azolves?

INTERROGANTES QUE SE LE PRESENTAN AL CONSTRUCTOR DE TÚNELES Y DEOBRAS SUBTERRÁNEAS

¿Se excavara el túnel completamente en roca sana o se encontrarán zonasintemperizadas o alteradas por la acción hidrotermal o bien canales o cauces sepultadoscon presencia de material permeable?

¿Se obtendrá durante la excavación una sección limpia o bien habrá sobre excavación?

¿Será la roca fácilmente excavada y perforada o por el contrario difícil?

¿Existen razones que den lugar a pensar en la posibilidad de grandes o pequeñosdesprendimientos de roca del techo del túnel (que parte del túnel necesitara soportes oademes y de que tipo)?

¿Si existen fallas que posición guardan estas con respecto al eje del túnel, en que longitudafectan y cual es la magnitud del fallamiento para que llegue o encontrarse roca triturada?

¿Si existen materiales no consolidados en los portales de entrada o salida del túnel o biensi la roca esta muy imtemperizada en estos lugares, en que longitud se vera afectado eltúnel y que dificultades especiales se presentarán en las excavaciones iniciales?

¿Hay posibilidad de encontrar muchas dificultades en las partes profundas del túnel en laszona de roca que se esta hinchando por liberación de presiones o bien pordesprendimientos violentos de roca?



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¿En que caso de túneles de presión, se requerirá un esfuerzo o revestimiento a todo lolargo del túnel o solo en ciertos lugares por ejemplo en la vecindad de fallas?

¿Se encontraran en excesos altas temperaturas o gases tóxicos o venenosos?

¿Requerirá la obra en su totalidad de revestimiento y de que tipo?

INTERROGANTES EN OBRAS PORTUARIAS

¿Cuales serán los materiales en la zona de cimentación de los muelles, dique seco uotras construcciones?

¿Que problemas específicos se presentan en las obras mencionadas con el terreno decimentación?

¿En el caso de un puerto interior cuales serán los materiales que deberán ser dragados ycuál el tipo de draga?

¿Se presentan problemas de azolvamiento del puerto, tanto en la draga como en el canalde acceso?

¿Cómo evitar estos problemas de azolvamiento y de erosión del litoral?

¿Existen materiales rocosos en tamaño, cantidad y calidad para la construcción deescolleras, espigones y rompeolas?

¿Igualmente se contara con agregados para el concreto que se utiliza en la construcciónde obras, buques o tetrabuque en el caso de no existir materiales de enrocamiento?

¿En el puerto fluvial cual será la evolución de la corriente y cuales los problemas decimentación de los muelles y tal vez de azolvamiento?

¿Que obras de protección del puerto será necesario construir para la buena operación delmismo, teniendo en cuenta los vientos dominantes, magnitud de olas y corrientescosteras?

INTERROGANTES EN MOVIMIENTOS DE TIERRA

¿Que materiales se van a manejar?

¿Que modo de extracción hay que escoger?

¿Cuales son las posibilidades de utilización del material extraído?

¿Que volumen de material no es utilizable?

¿Se encontrara el nivel freático?



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¿Cuál será la estabilidad del talud después de la excavación?

¿Se afectarán las obras construidas en la vecindad de la excavación?

INTERROGANTES EN PLANTAS NUCLEOELÉCTRICAS Algunas veces la selección del sitio, para construir una planta nucleoeléctrica se hacetomando como base principalmente criterios topográficos, hidrológicos y demográficos, yen segundo lugar factores geológicos, sísmicos y tectónicos relacionados con laconstrucción misma. La comisión reguladora de los Estados Unidos (USNRC) y la AgenciaInternacional de la Energía Atómica (IAEA), establecieron una serie de requerimientospara autorizar la construcción de una planta nuclear, alguno de los cuales tiene que vercon el aspecto geológico. Las interrogantes que se derivan de estos requerimientosrelacionados con factores sismotectónicos y factores geotécnicos, son los siguientes:

¿Es aceptable la roca y a que profundidad se encuentra la roca de buena calidad?

¿Existen problemas de estabilidad en las laderas?

¿Existen cavidades de disolución u otras necesidades de estabilización?

¿Habrá problemas de erosión o sedimentación?

¿Son desfavorables las condiciones topográficas de tal manera que sea necesario haceroperaciones de relleno y excavación, y en este último caso, utilizar explosivos?

¿Es confiable la información geológica existente?

¿Se encuentra el sitio en una zona sísmica que haya dado lugar a problemas ligerosmínimos, significantes o severos?

¿Hay problemas de fallas activas o inactivas?

¿A que distancia se encuentra el sitio de estas discontinuidades?



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CIMENTACIONES DIVERSAS

PLANTAS DE BENEFICIO

EDIFICIOS

OBRAS A TAJO ABIERTO

COMBUSTOLEODUCTOS

OBRAS FUERA DE LA COSTA

ARTIFICIALES

FLUVIALES

LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

CENTRALES NUCLEARES

OBRAS SUBTERRANEAS

PRESAS DERIVADORAS

PRESAS DE ALMACENAMIENTO

CANALES

PUERTOS

PUENTES

VÍAS TERRESTRES

MINAS A CIELO ABIERTO

(fierro, carbón, cobre, no metálicos)

BANCOS DE MATERIALES

TUNELES PARA FINES DIVERSOS

CASA HABITACIÓN

ARTIFICIALES

BAHÍAS

TUNELES PARA FINES DIVERSOS

ALMACENAMIENTOS SUBTERRANEOS

MINAS SUBTERRANEAS

CASA DE MÁQUINAS

CARRETERAS

FERROCARRILES

CONSTRUCCIONES QUE REQUIEREN ESTUDIOS GEOLÓGICOS



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Tal vez se piense que se exagera al decir que inclusive una casa habitación unifamiliar deun piso, requiere de un estudio geológico. No hay tal exageración ¿Cuantosfraccionamientos se conocen en la zona centro del país que requieren estudio por la sobreexplotación de los acuíferos? por la extensión de la ciudad del estado de México, la cualllega quedar en parte ubicada sobre minas de arena abandonadas o los que están

ubicados en las laderas de los cerros.Hace más de medio siglo el profesor Lugeon, al terminar una serie de conferencias sobregeología de presas dijo:

―Una presa no es un objeto muerto, es un organismo viviente que tuvo su nacimiento ycomo tal tendrá su muerte, muerte por vejez y por enfermedades o muerte por accidentesi se debilito, estuvo mal construida o mal alimentada.‖

Un organismo que pide necesariamente cuidados tanto más puesto que ese algo que vinoa perturbar las leyes naturales y las fuerzas de la naturaleza se ensañan particularmentecon aquello que es un obstáculo. Lo esencial desde el punto de vista humano es que sepuedan resistir al tiempo ya que consideradas geológicamente, no son si no cosaspasajeras.



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CAPÍTULO 4

DESCRIPCIÓN INGENIERIL DE LAS ROCAS

GENERALIDADES

Se pueden establecer dos criterios descriptivos de las rocas, los cuales difierenprincipalmente en la magnitud o escala en que se aplican; no obstante, ambos tienen porfinalidad conocer los parámetros que intervienen en el comportamiento geomecánico delmacizo rocoso. Uno de estos criterios, el de menor escala, considera la descripción de laroca intacta, es decir, la que se efectúa para una muestra de roca y en la que es posibleobservar características tales como: estructuras menores, textura, alteración, etcétera. Elotro criterio está enfocado a las discontinuidades que forman parte del macizo rocoso. Delo anterior, se considera conveniente lograr la uniformidad en la descripción de las rocas yofrecer una interpretación más comprensible de los datos geológicos. Estas descripcioneses factible hacerlas en núcleos de roca recuperados de perforaciones con máquinarotaria, muestras de mano, pequeñas obras exprofeso y, aun en la obra misma; sinembargo, no siempre es posible obtener todos los parámetros que intervienen en ellas,pero sí recopilar los más útiles con cierto orden. En este capítulo se describirán losparámetros o características más importantes de las rocas y se complementan éstos con tablas descriptivas para facilitar su determinación en el campo.

DESCRIPCIÓN DE ROCA INTACTA

Las características que pueden ser utilizadas para este tipo de descripción son: tipo deroca, color, estructura, textura, cementación, intemperismo y resistencia. La mayoría deéstas permiten conocer las condiciones de estabilidad, la cual es en gran parte, elproblema a resolver o anticipar, tanto en las obras de ingenia ría civil como de la minería.

Tipo de roca

Es el nombre geológico de la roca, de manera que sirve principalmente para identificarla,en él está involucrado el origen y, por otra parte, representa ciertas característicasestructurales, texturales e incluso algunas propiedades mecánicas, de manera que da un

juicio de las condiciones existentes o problemas en general que se pudieran presentar endeterminada obra. Debido a que es prácticamente la clasificación petrológica de la roca.

Color

Es un índice cualitativo, aparentemente de escasa utilidad; sin embargo, puede darindicios de la alteración, la composición mineral y en ocasiones es un auxiliar para laidentificación de la roca. Consiste/de tres componentes: color, propiamente dicho, tono yvalor (claro-oscuro). En la Tabla 2.1 están presentes los términos utilizados para estadescripción.



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TABLA 2.1 COLOR

Color Tono Valor

blanco blanquecino

gris grisáceo claro-oscuro

negro negrusco

amarillo amarillento claro-oscuroRojo rojizo claro-oscuro

Azul claro-oscuroCafé claro-oscuro

Verde claro-oscuro

anaranjado

Se puede agregar el valor "intermedio" C.F.E. (1979)

Dietrich y Skinner (1979) propusieron un índice de color basado en el porcentaje deminerales máficos en las rocas de textura fanerítica:

Si el contenido de minerales míticos está por debajo del área clara de un campo normal yrepresentativo de la muestra la roca se clasifica con el adjetivo ―leucocrática‖ ó el prefijo―leuco.‖

Si el contenido de minerales máficos está por encima del campo claro de la muestra, seclasifica como ―melanocratica‖ ó el prefijo ―mela‖. La Tabla 2.2, ejemplifica este índice decolor.

TABLA 2.2

INDICE DE COLOR

5 porciento

10 porciento 25 porciento

15 porciento 40 porciento

50 porciento

Dietrich y Skinner (1979)



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Estructura

Es el término en el que está implícita la continuidad de la roca, por tanto es perceptible engran escala, es decir, en las macro-estructuras observadas en campo. Sin embargo, en lamuestra de mano es posible identificar laminación, estilolitas y vesículas; la primera

representa anisotropía; la segunda discontinuidad; y la tercera, porosidad. En las tablas2.3, 2.4 y 2.5 se presentan estructuras típicas de la clasificación genética de las rocas.

Tabla 2.3 Estructura de las rocas ígneas ytexturas comunes

ESTRUCTURA TEXTURA

estratificación clástica y no clástica

cruzada clásticagradual

laminación

Fisilidad

Estilolitas cristalina o no clástica

imbricación clástica

masiva clástica y no clástica

diapiros cristalina

Tabla 2.4 Estructura de las rocas sedimentarias y las rocascomunes

ESTRUCTURA TEXTURA


cruzada clástica

gradual clástica

laminación

Fisilidad




diapiros cristalina



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Tabla 2.5 Estructura de las rocasmetamórficas y texturas comunes

ESTRUCTURA TEXTURA

foliado o direccional

cristaloblásticalepidoblásticanematoblásticapoikiloblástica

no foliada o nodireccional

granoblásticapoikiloblástica

Cataclástica Cataclástica

A continuación se definen brevemente algunas estructuras importantes:

a) Estructura de las rocas ígneas volcánicas. Los procesos que conducen al grupogenético de las rocas volcánicas son: a) la efusión o derrame por la superficie terrestre dela masa magmática fundida (lava) y, b) la explosión que tiene lugar al arrojar al aire o alagua materia que puede encontrarse en estado de gas o vapor, líquida o sólida.

A continuación se describen en forma breve algunas de las más comunes.

Lava

Mantos lávicos, originados como resultado de la efusión de la lava sobre la superficieterrestre y, cuyas dimensiones en dos direcciones horizontales perpendiculares entre sí

son más o menos iguales, superando al espesor en varios Órdenes.

Coladas, se diferencia del anterior por tener en planta una forma bandeada; su longitudsupera a su ancho, ostensiblemente.

Lavas, almohadilladas, debidas a la efusión de lavas básicas en el fondo del mar o de unlago; morfológicamente se presentan como aglomeraciones de bolsas.

Fluidal, ocasionada cuando la lava sale a través de un conducto y adquiere una formasinuosa con abundantes diaclasas paralelas.



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Vesicular y amigdaloidal; son el resultado de las oquedades producidas por las burbujasde los gases que contiene la lava (vesicular) y, cuando estas oquedades son rellenas, sedenomina estructura amigdaloidal.

Estructura columnar; se expresa en la fracturación del cuerpo lávico durante su

solidificación y enfriamiento; es debida a la reducción de su volumen, de manera que semanifiesta como grietas que originan disyunciones columnares o prismáticas cuya secciónes generalmente hexagonal. La altura de los prismas puede tener decenas de metros,dependiente del espesor del manto lávico.

b) Estructura de las rocas ígneas plutónicas. Sus formas de emplazamiento tuvieronlugar en el interior de la corteza. Siendo los procesos genéticos que prevalecen, lapenetración y la solidificación de la masa magnética. Algunas de estas estructuras sedescriben aquí:

Mantos intrusivos, cuerpos magmáticos planos que se introdujeron a lo largo de ciertassuperficies de estructuras, tales como juntas o estratificación de las rocas regionales.

Diques; intrusión cuya forma es la de un cuerpo plano de espesor pequeño y longitudconsiderable; corta u otros planos estructurales tales como planos de junta oestratificación, planos de crucero, etc. Generalmente yace verticalmente o de manerabastante abrupta.

Lacolitos; cuerpos intrusivos de forma lenticular que se introdujeron entre las capas yalzaron sobre sí las capas suprayacentes dándoles forma de domo.

Batolitos; son los cuerpos intrusivos más grandes, tienen forma de cúpula, cresta o cono;en planta generalmente es ovalado.

c) Estructuras de las rocas sedimentarias. Las estructuras de las rocas sedimentariaspueden ser tanto de origen físico como químico, son procesos que actúan durante ladiagénesis de los sedimentos. Aquí se resumen algunas de las más significativas.

-Estratificación; es la característica representada por una serie de cuerpos de naturalezasedimentaria cuyas extensiones superficiales son considerables y el espesorrelativamente pequeño; a estos cuerpos se les denomina capas o estratos. Aquí solo semencionan algunas particularidades fundamentales que forman parte de la estructurainterna:

-Estratificación cruzada; es una disposición de laminas transversales al plano deestratificación, en líneas rectas inclinadas ó de formas cóncavas, se efectúa por el cambiode dirección de las corrientes.

-Estratificación gradual; capas en las cuales el tamaño de los granos cambiagradualmente de grueso a fino, de la base a la cima, respectivamente.

-Laminación; puede originarse por la presencia de capas de arcilla o por paralelismo delos granos de forma plana y de ciertos minerales.



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-Fisilidad; propiedad de algunas rocas arcillosas en separarse en láminas delgadas deespesor uniforme.

-Estilolitas; líneas quebradas y delgadas que se observan con más claridad en lasuperficie transversal del estrato; representan el resultado de la disolución durante la

diagénesis, comúnmente se presentan en calizas y dolomías.-Imbricación; arreglo burdo de los clastos, donde éstos se reclinan hacia aguas abajo deuna corriente.

-Depósitos masivos; se considera cuando no están definidos los estratos, de maneraque su espesor es considerable.

-Diapíros; están representados por los domos, compuestos de sal que se caracterizan porsu elevada plasticidad y baja densidad; las formas de un compuesto plástico pueden sermuy variadas (lenteja, crestas, conos, cilindros y más comúnmente hongos.).

d) Estructuras en rocas metamórficas. Están íntimamente relacionadas a la textura, demanera que aquí solo se agrupan en tres tipos principales que son:

-Foliadas (del latín foliun, hoja) son debidas al paralelismo de los minerales laminares, ysegún el grado de perfección de las superficies paralelas, se pueden dividir en: pizarroso(la más perfecta), esquistosa y estructura gnésica (la menos perfecta).

-No foliadas; se refiere a rocas metamórficas generalmente masivas.

-Cataclástica; desarrollada por la deformación mecánica producto de metamorfismodinámico sobre rocas duras y frágiles (milonita).

Textura

Es el arreglo que existe entre los granos o minerales individuales, su grado decristalización, forma y tamaño.

Cuando se indica la orientación o un arreglo especial de los elementos de una roca, serefiere a un concepto de la textura denominado como fábrica; este concepto se podríaentender como una estructura de menor escala, es decir, que en ocasiones se puedeobservar en una muestra de roca. Ver tablas 2.3, 2.4 y 2.5, que relacionan la textura y laestructura.



68


ESTRUCTURA TEXTURA

estratificación clástica y no clásticacruzada clástica

gradual

laminación

Fisilidad




diapiros cristalina

tabla 2.5 Estructura de las rocasmetamórficas y texturas comunes

ESTRUCTURA TEXTURA







ESTRUCTURA TEXTURA


cruzada clástica

gradual clástica

laminación

Fisilidad


imbricación clásticamasiva clástica y no clástica

Diapiros cristalina



69

Grado de cristalinidad. Establece la perfección de los cristales y lo relaciona con latextura de las rocas ígneas faneríticas. En la Tabla 2.6, se muestran los términos para eldesarrollo de los cristales y su descripción.

Tabla 2.6 Cristalinidad de los minerales

DESARROLLO TEXTURA DESCRIPCIÓN

euhedral idomórfica cristales bien desarrollados

subhedral hipidiomórfica cristales parcialmente desarrollados

anhedral xenomórfica cristales sin desarrollo

Forma. En los sedimentos y rocas sedimentarias (principalmente las de textura clásica),es necesario para la descripción indicar el grado de redondez, la cual se define como laabrasión indicada por la agudeza de las esquinas y angularidad de los fragmentos y laesfericidad, es decir, el grado en que los fragmentos se aproximan al modelo de la forma

de una esfera, M.C. Sowers, (1970). La Tabla 2.7 ejemplifica el término mencionado.

TABLA 2.7 FORMA DE LOS COMPONENTES

ANGULAR SUBANGULAR SUBREDONDEADA REDONDEADA

E S

F E R I C I D A D A

L T A

B A J A

Por otra parte, Zinng propuso cuatro tipos diferentes de forma general de los granosminerales, tal como se presentan en las rocas ígneas de texturas fanerítica o porfídica y,algunas metamórficas. Tabla 2.8.



70

1 2

3 4

TABULAR EQUIDIMENSIONAL

LAMINADA PRISMÁTICA

1

2/3

b/a c/b 2/3 1

Tabla 2.8 Forma de los minerales.

Tamaño. En las rocas de textura clásica y en depósito piroclásticos es importante definirel tamaño de los componentes, ya que pueden ser indicativos de la porosidad y a su vezla resistencia. Las tablas 2.9 y 2.10 sugieren los límites de tamaño con su término ydescripción.

Tabla 2.9 Tamaño de los componentes

TÉRMINOLIMITE DETAMAÑO(mm)

EJEMPLO

bloque > 300mayor queuna pelota debásquetbol

canto rodado 75 a 300naranja asandía

grava gruesa 20 a 75 uva a naranja

grava fina 4.7 a 20 chícharo a uva

arena gruesa 2.0 a 4.7 sal de cocina

arena media 0.42 a 2.0 azúcar

arena fina* 0.074 a 0.42 azúcar enpolvo

finos < 0.074 malla No. 200

*las partículas menores que la arena fina no sepuede distinguir a simple vista desde una

distancia de 20 cm.



71

Tabla 2.10 tamaño de los piroclásticos

PIROCLÁSTICO TAMAÑO CONSOLIDACIÓN

bomba bloque > 64

rocasígneaspiroclásticaslapilli 2 a 64

ceniza < 2

Tanto la textura como la estructura están estrechamente relacionadas con las propiedadesfísicas de las rocas (índice y mecánicas) Para los propósitos de la geología aplicada a lasobras de ingeniería civil y. de minado, se puede describir la textura en los términossiguientes:

a) Textura de las rocas ígneas. Las condiciones de emplazamiento de las rocas ígneas,son determinantes en la textura resultante En la Tabla 2.3 se presentan algunos de estostipos de textura.


ESTRUCTURA TEXTURA


cruzada clástica

gradual

laminación

Fisilidad




diapiros cristalina

Enseguida se define brevemente cada una de éstas.

Fanerítica; se refiere a componentes minerales equigranulares observables a simple vista(grano grueso).

Afanítica; cuando los componentes minerales de la roca no es posible determinarlos asimple vista o con ayuda de una lente de mano (grano fino).

Porfídica; es el término empleado cuando existe una distribución inequigranular de loscomponentes minerales. Generalmente contiene una matriz Afanítica.

b) Textura de las rocas sedimentarias. Las rocas sedimentarias despliegan dos tiposdiferentes de texturas: textura clástica y no clástica ó de mosaico o, interconectada. Cadauna de estas tiene variantes que pueden ser discernidas megascopicamente.



72

-Textura clástica. Formada por fragmentos transportados que han sido compactados ycementados a la vez.

-Textura no clástica. La cual es aplicable a la cristalización directa de minerales de

soluciones acuosas o a la recristalización.Los sedimentos y rocas resultantes pueden contener cualquiera o alguna combinación delos diferentes tipos de clástos. Por otra parte, la textura generalmente es descrita sobrelas bases de forma y tamaño de los granos, elección de los fragmentos y cementante;también se puede utilizar el grado de cristalización como en las rocas ígneas. En la Tabla2.4 están los términos descriptivos utilizados comúnmente.


ESTRUCTURA TEXTURA


cruzada clástica

gradual clástica

laminación

Fisilidad




Diapíros cristalina

c) Textura de las rocas metamórficas. La forma y arreglo de los granos en las rocasMetamórficas reflejan en general las causas del metamorfismo. Los adjetivos que semencionan abajo son utilizados para describir aquellas texturas que pueden serreconocidas durante un examen megascópico (ver Tabla 2.5).

Tabla 2.5 Estructura de las rocasmetamórficas y texturas comunes

ESTRUCTURA TEXTURA








73

Metamorfismo

-Cataclástica; contiene muchos granos que han sido quebrados o fragmentados, enrespuesta al metamorfismo de dislocación o dinámico.

-Cristaloblástica; indica la recristalización por presión dirigida.

-Granoblástica; caracterizada por contener granos más o menos equidimensionales.

-Lepidoblástica; contiene una notable proporción de minerales laminares oescamas (mica o clorita) los cuales exhiben una foliación.

-Nematoblástica; contiene una notable proporción de minerales prismáticos (anfíboles)los cuales exhiben un alineamiento preferencia.

-Poikiloblástica; contiene megacristales con inclusiones de otros minerales.

Cementación

Es uno de los procesos diagenéticos de litificación o aglutinante de los sedimentos; sedesarrolla a bajas temperaturas. Es por ello que en el caso de la mecánica de rocas es demucha importancia la determinación del tipo y grado de cementación que presentan lasrocas, principalmente las rocas sedimentarias y algunas rocas volcánicas (piroclásticas)Por otra parte, también se relaciona ampliamente con la porosidad y la permeabilidad. Lostipos más comunes de minerales cementantes son: calcita, dolomita, siderita y silice. LasTablas 2.11 y 2.12 indican los cementantes comunes y la calidad, respectivamente.

Tabla 2.11 Cementantes comunes

CEMENTANTE COMPOSICIÓNREACCIÓN CON HClPARA IDENTIFICACIÓN

calcita Ca CO3 fuerte

dolomita 3Ca Mg (CO3) 2 apreciable

siderita Fe CO3 fuerte, color café

sílice SiO2 nula

ASTM D2 488-69



74

Tabla 2.12 Términos cualitativos decementación

MUY BIEN CEMENTADO

BIEN CEMENTDO

POBREMENTE CEMENTADO

SIN CEMENTANTE

MANUAL DE OBRAS CIVILES CFE (1979)

Estado de intemperismo

El intemperismo es conocido también como meteorización y se entiende como unconjunto de modificaciones causadas a las rocas por los agentes atmosféricos. Este tipo

de alteración generalmente disminuye las propiedades mecánicas de la roca. Cabeconsiderar que durante un muestreo con objetivos ingenieriles, se debe tomar en cuenta eidentificar las zonas con alteración por interperismo y no sólo dirigir el muestreo a la rocasana, con este Criterio se tendrá una base de comparación en el comportamientomecánico del macizo rocoso. Es común suponer que la meteorización afecta la partesuperficial; sin embargo, en ocasiones el agua y oxígeno atmosféricos penetran a travésde las discontinuidades y alteran las rocas a profundidad. Para la descripción del estadode intemperismo, se sugiere utilizar la Tabla 2.13.

Tabla 2.13 Alteración por meteorización o interperísmo

GRADO TÉRMINO DESCRIPCIÓN

l frescaNo hay señas visibles de meteorización en la esencia dela roca, ligera decoloración siendo mayor en lassuperficies de las discontinuidades

llligeramentemeteorizada

Decoloración en la esencia de la roca y en lassuperficies de discontinuidad. La roca puede estar algodebilitada externamente

lllmeteorización

moderna

Menos de la mitad de la roca está alterada 6desintegrada a suelo. Roca fresca o descolorida puedeestar presente como estructura ó núcleo continuo

lValtamente

meteorizada

Más de la mitad de la esencia de la roca está alteraday/o desintegrada a suelo. Roca descolorida o fresca sóloestá presente como núcleos discontinuos

Vmeteorización

completa

Toda la roca está alterada y/o desintegrada a suelo; sinembargo, la estructura de la masa original aún seconserva

Vl suelo

Toda la roca está convertida en suelo. La estructura dela masa y su arreglo (fábrica) están destruidos. Tiene ungran cambio de volumen pero el suelo no ha sidosignificativamente transportado.



75

Es necesario considerar que así como el intemperismo produce alteración en las rocas,ésta también puede ser ocasionada por procesos en los que no intervienen los agentesatmosféricos. De manera que estos tipos de alteración son producto de solucioneshidrotermales que afectan las rocas disminuyendo o aumentando su resistencia.

Algunas de las alteraciones son: agilización, greisenización, propilitización, sericitización ysilicificación.

Resistencia

Es necesario considerar la diferencia que existe entre la resistencia de una muestra deroca y el macizo rocoso, debido a los factores que los gobiernan. El resultado del ensayede la roca intacta en el laboratorio, es difícil extrapolarlo cuando la roca intacta pertenecea un macizo rocoso descrito por sistemas de discontinuidades que controlan en granmedida el comportamiento y resistencia del mismo. Sin embargo, con pruebas sencillasde campo, es posible describir la dureza y correlacionarla en términos de resistencia a lacompresión no confinada. En el manual de pruebas índice, se proporciona la descripciónadecuada a los diferentes grados de resistencia de las rocas. Para la dureza de loscomponentes de la roca se proponen los términos indicados en la Tabla 2.14.

Tabla 2.14 Dureza de los granos que componen la roca

TÉRMINO DESCRIPCIÓN

muy suavese puede desintegrar con la presión de losdedos

suave se puede rayar con la uña

muy dura difícilmente se raya con la navaja

Modo de descripción

Con el propósito de unificar los diferentes criterios para la descripción de las rocasintactas y por consiguiente disponer de una clasificación más significativa para losrequerimientos de la ingeniería, la Sociedad Geológica de Londres, estableció que lainformación geológica debe cumplir con la secuencia siguiente:

Estado de intemperismo

EstructuraColorTamaño de los granos (partículas predominantes)TexturaEstado de alteraciónEstado de cementaciónResistencia de la rocaTipo de la roca



76

Seguramente en la mayoría de las veces no es posible obtener todos los parámetrosindicados debido a que en esta secuencia no se toma en cuenta la clasificación de la rocabasada en su origen.

DESCRIPCIÓN DEL MACIZO ROCOSO (DISCONTINUIDADES)

Es posible que resulte obvio entender ¿qué es un macizo rocoso? sin embargo, se debeconsiderar que en él, está involucrada la Litología y sus condiciones de alteración, asícomo sus estructuras geológicas. De lo anterior, se puede establecer que la unidadlitológica o en ocasiones la formación geológica representan en sí al macizo rocosoconsiderando las características que lo definen y que éstas controlan su comportamientogeomecánico, se apoya la conveniencia de formar este apartado con los métodos para ladescripción cuantitativa del macizo rocoso, haciendo hincapié que el objetivo es lanormalización de la descripción de campo. El apartado, esta basado en los métodoselaborados por el Comité para la normalización de pruebas de campo y laboratorio, de laSociedad Internacional de Mecánica de Rocas.

El primer término que el mismo Comité sugiere es el de ―discontinuidad‖, es decir, el queda lugar a las características generales de los planos de debilidad (discontinuidadmecánica) de la masa rocosa, en los cuales, la resistencia a la tensión y al esfuerzocortante es baja e incluso nula. Dentro de estos planos de debilidad o discontinuidades(estructuras geológicas), quedan comprendidos; los planos de estratificación, juntas,fallas, fracturas, contactos litológicos, discordancias, foliación, esquistosidad, etc. Por lotanto, se deduce que el comportamiento mecánico de un macizo rocoso está en funciónprincipalmente de las discontinuidades que contiene. De manera que, la descripción seenfoca a ésta, haciendo destacar los parámetros siguientes:

OrientaciónEspaciamientoPersistenciaRugosidadResistencia de las paredes en las discontinuidades

AberturaRellenoFiltracionesNumero de sistemas de discontinuidadTamaño de los bloques

A continuación se presenta en forma resumida, la definición de cada uno de losparámetros que intervienen, así como su utilidad y el procedimiento de obtención y, enocasiones, la presentación de resultados. En las tablas se complementan la descripciónde discontinuidades.

Orientación

Es la posición de la discontinuidad en el espacio. Está descrita por la dirección delbuzamiento de la línea de máxima pendiente contenida en el plano de la discontinuidad ypor el ángulo que forma esta línea respecto a un plano horizontal; implícitamente el rumbo



77

de la discontinuidad es perpendicular a la dirección de la línea del buzamiento o echadoverdadero del plano.

Se conocen dos métodos para obtener, la orientación de las discontinuidades; el primeroes fotogramétrico, en el se determinan las coordenadas de por lo menos cuatro puntos de

cada plano de discontinuidad, de manera que el plano debe ser extenso, puesto que laexactitud disminuye, si el área del plano decrece. Este método es económico sólo si serequiere de la orientación de un gran número de discontinuidades. Sin embargo, lafotogrametría puede ser la única alternativa en el caso de un frente relevante de roca enla vecindad de anomalías magnéticas o, si el frente es inestable y/o inaccesible. Elsegundo método es el de la brújula y clinómetro; debido a su utilidad, se considera estemétodo un poco más ampliamente.

Alcances

a. La orientación de las discontinuidades relativas a una estructura geológica indica agrandes rasgos la posibilidad de las condiciones de inestabilidad; la importancia de Iaorientación se incrementa cuando están presentes otras condiciones que intervienen en ladeformación, tales como baja resistencia al esfuerzo cortante y un número suficiente desistema de discontinuidades que propicien el deslizamiento.

b. La orientación recíproca de discontinuidades determina la forma de los bloquesindividuales y los sistemas de discontinuidades comprendidos en el macizo rocoso.

Procedimiento (se menciona sólo el método de brújula y clinómetro)

a. El azimut del buzamiento (dirección del buzamiento) es medido con la brújula en gradoscontados a partir del norte verdadero y se expresa con tres dígitos (000°-360°) También sepuede utilizar el echado del plano que contiene la línea de máxima pendiente respecto alos puntos cardinales.

b. La inclinación (buzamiento, echado) del plano de discontinuidades es medido con elclinómetro con respecto al plano horizontal y debe expresarse en grados con dos dígitos(00°-90°)

c. Para anotar estos datos se utilizan las formas siguientes: dirección delbuzamiento/inclinación (en forma azimutal o por cuadrantes) 045°/20°. N45°E/20';2100/35o, S30°W/35°

Presentación de los resultados

Existen formas muy variadas para indicar las discontinuidades, tales como, bloquesdiagramáticos (Fig. 2.1), rosetas de juntas (Fig. 2.2), proyecciones esteográficas (Fig. 2.3y 2.4) y símbolos de rumbo y echado. En el manual de Obras Civiles de la C.F.E. semuestra una serie de símbolos de discontinuidades, los cuales son necesarios para elmapeo geológico. En la figura 2.5 se incluyen dichos símbolos.



78

3

2

1

P

35

Figura 2.1

N

S

EW

60

70-90

30-40

5 15

i

ii

iii

Figura 2.2



79

6 0 e c h a d

o

6 0 e c h a d

o

0

9 0

1 8 0

2 7 0

NR u m b o =

+ 9 0

°

c i r c u l o

m a x i m

o d e l p

l a n o 1

Figura 2.3

N

S

EW

30

60

120

150210

340

300

330

Figura 2.4



80

Figura 2.5 simbología para discontinuidades comunes

FALLA OCULTA.

RUMBO Y ECHADO DE FOLIACIÓN DE GNEIS O DE ESQUISTO.

RUMBO DE PLANOS HORIZONTALES DE FRACTURA O EXFOLIACIÓN YLAJEAMIENTO.

RUMBO DE PLANOS VERTICALES DE FRACTURA O EXFOLIACIÓN YLAJEAMIENTO.

RUMBO Y ECHADO DE PLANOS DE FRACTURA O EXFOLIACIÓN Y

LAJEAMIENTO.

RUMBO DE JUNTAS VERTICALES.

DIQUES CON EXPRESIÓN DEL HECHADO.

RUMBO DE FOLIACIÓN HORIZONTAL DE GNEIS O DE ESQUISTO.

RUMBO DE FOLIACIÓN VERTICAL DE GNEIS O DE ESQUISTO.

RUMBO Y ECHADO DE CAPAS RECUMBENTES.

RUMBO Y ECHADO DE CAPAS.

EJE DE SINCLINAL RECUMBENTE, INDICANDO LA DIRECCIÓN DELECHADO DE SUS FLANCOS.

EJE DE SINCLINAL, CON LINEA INTERRUMPIDA DONDE NO ESTÁ

LOCALIZADA CON PRECISIÓN.

EJE ANTICLINAL RECUMBENTE, INDICANDO LA DIRECCIÓN DE ECHADODE SUS FLANCOS.

ZONA DE CORRIMIENTO CON EXPRESIÓN DEL ECHADO GENERAL.

FALLA NORMAL MOSTRANDO EL ECHADO, EL FLANCO ESTRIADO SOBRELA PARTE HUNDIDA.

FALLA INVERSA O DE DESLIZAMIENTO, MOSTRANDO ECHADO: L PARTEDESLIZADA HACIA ARRIBA, LOS RECTANGULOS EN EL LADO ELEVADO. LA

FLECHA INDICA DIRECCIÓN DE FALLA 45 GRADOS.

RUMBO DE CAPAS VERTICALES.

RUMBO DE CAPAS HORIZONTALES.

RUMBO Y HECHADO DE JUNTAS.

RUMBO DE JUNTAS HORIZONTALES.

EJE DE ANTICLINAL. MUESTRA EL RUMBO DEL PLANO AXIAL Y SU

BUZAMIENTO. LÍNEA DISCONTINUA DONDE NO ESTÁ LOCALIZADO CON

PRECISIÓN.

DEPRESIÓN.

DOMO.

FALLA MOSTRANDO RUMBO A INTENSIDAD DELECHADO.LINEA DISCONTINUA DONDE ES INFERIDA.

CONTACTO MOSTRANDO EL ECHADO DISCONTINUO DONDE ES INFERIDO.

CONTACTO. LOCALIZACIÓN INCIERTA.

CONTACTO DE GRADUACIÓN.

CONTACTO OCULTO.

FALLA EXISTENCIA INCIERTA.

10°

Manual de obras civiles, C.F.E. (1979)



81

Espaciamiento

Es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes; normalmente se refiereal espaciamiento principal o modal de una familia de juntas.

Alcancesa. General controla el tamaño de bloques individuales de la roca intacta. Varios sistemasde espaciamientos muy cerrados tienden a dar condiciones de baja cohesión de masas,mientras que los sistemas ampliamente espaciados producen comúnmente condicionesde interconexión.

b. En casos excepcionales un espaciamiento cerrado puede cambiar el modo de falla deuna masa rocosa, de transicional a circular o hasta de flujo.

c. La importancia del espaciamiento; se incrementa cuando están presentes otrascondiciones de deformación, como una baja resistencia al esfuerzo cortante y unsuficiente número de discontinuidades para que ocurra el deslizamiento.

d. EI espaciamiento de discontinuidades individuales y sistemas asociados tienen unafuerte influencia sobre las características de permeabilidad y filtraciones. En general laconductividad hidráulica de cualquier sistema será inversamente proporcional alespaciamiento, si la abertura individual de las juntas son comparables.

Procedimiento

a. Siempre que sea posible, la cinta para medir el espaciamiento deberá ser colocada demanera que la traza de la superficie del sistema de discontinuidad sea perpendicular a lacinta.

b. Todas las distancias entre discontinuidades adyacentes deberán ser medidas y en unalongitud de muestreo mayor de 3m, Esta longitud deberá ser preferentemente mayor adiez veces el espaciamiento estimado.

c. El ángulo más pequeño α (alfa) entre la cinta y el sistema de juntas observado serámedido con una aproximación de 5° (Fig.2.6)

d. El espaciamiento común (modal) es calculado de la ecuación S = d2 sen α (alfa) ; d2 esla distancia común o moda.



82

cinta 90°

d2

S 1

S 2

S 3

S 1 S 2

S 3

Sistema 1

Sistema 2

Sistema 3

S = d2 sen α2

Figura 2.6

Presentación de resultados

El espaciamiento mínimo, modal y máximo, S (mín) y S (máx) serán anotados para cada

sistema de discontinuidad. La distribución puede ser representada con histogramas, unopara cada sistema (Fig. 2.7). También, se puede utilizar la descripción de la Tabla 2.15

Tabla 2.15 Espaciamiento de lasdiscontinuidades

DESCRIPCIÓN ESPACIAMIENTO

extremadamentecerrado

< 20

muy cerrado 20 - 60Cerrado 60 - 200

Moderado 200 - 600

Amplio 600 - 2000

muy amplio 2000 - 6000

extremadamenteamplio

> 6000



83

30

20

10

HISTOGRAMA DE FRECUENCIA

20 60 200 600 2000 6000 (mm)

Espacioextremadamentecerrado

Muy cerradocerrado Moderado Amplio Muy Amplio

ExtremadamenAmplio

S modal = 350 mm.

Figura 2.7

Persistencia

Es la traza longitudinal de una discontinuidad tal y como es observada en un afloramiento;puede dar una idea de la dimensión aproximada del área o longitud de penetración de ladiscontinuidad.

Alcances

a. La persistencia implica la extensión en área o tamaño de una discontinuidad dentro deun plano. Puede ser burdamente cuantificada por la medida de la longitud de la traza de ladiscontinuidad en la superficie del afloramiento. Es uno de los parámetros másimportantes del macizo rocoso y de los más difíciles de cuantificar.

b. Las discontinuidades del sistema principal se consideran frecuentemente como las demayor continuidad que las de los otros sistemas. Por consiguiente la persistencia delsistema menor tenderá a terminar en las fracturas primarias o en la roca.

c. En el caso de taludes y cimentación de presas, es de gran importancia tratar de asignarel grado de persistencia de las discontinuidades que están orientadas desfavorablementepara la estabilidad. También es necesario considerar la persistencia en el desarrollo defracturas de tensión localizadas detrás de la cima de un corte.



84

d. En los túneles, la falla en primera instancia puede ser local y, además de la persistenciaa través de un número limitado de bloques se requiere de otras condiciones compatiblescon la falla; por ejemplo, la existencia de superficies lisas, rellenos arcillosos o por lomenos tres sistemas de discontinuidad.

e. Frecuentemente los afloramientos son pequeños comparados con el área o longitud delas discontinuidades persistentes, por lo cual la persistencia real puede ser sólo sugeridao inferida.

Procedimientos

a. En los afloramientos de roca o en superficies limitadas, deberá indicarse la persistenciarelativa de los diferentes sistemas de discontinuidades (Tabla 2.16). Los sistemas puedenser descritos por los términos persistentes, sub-persistente y no persistentes (Fig. 2.8).

Tabla 2.16 Persistencia relativa

TÉRMINO DESCRIPCIÓN

persistente sistemático

subpersistente

sub sistemático

no persistente no sistemático

No persistente P e r s i s t e n t e

Figura 2.8 Esquema de campo para indicar la persistencia relativa

b. En cada discontinuidad se deberá medir su longitud en la dirección del buzamiento y enla dirección del rumbo. Esto puede ser imposible en el caso de afloramientos planoslimitados. Sin embargo, en el caso de grandes exposiciones tridimensionales, tales comoexcavaciones a cielo abierto, en bermas o excavaciones subterráneas con intersección detúneles, se pueden obtener histogramas de frecuencia para cada sistema dediscontinuidad identificado.

Las longitudes de la traza modal medida para cada sistema de discontinuidades se puededescribir de acuerdo a la Tabla 2.17



85

Tabla 2.17 Longitud de la traza modalde la persistencia.

PERSISTENCIA LONGITUD

muy baja < 1

baja 1--3media 3--10

alta 10—20muy alta > 20

c. Una manera útil para la cartografía de las longitudes de las discontinuidades es anotarel tipo de terminación de acuerdo al esquema siguiente:

Discontinuidad extendida fuera de la superficie de exposición (x).Discontinuidad que termina en roca dentro de la superficie de exposición (r)Discontinuidad que termina en otra discontinuidad (d)

Una familia sistemática de discontinuidades con una alta marca en (x) es de mayorpersistencia que una familia sub-sistemática con marcas predominantes en (d).Discontinuidades no sistemáticas tenderán a tener muchos valores en (r)

d. Los datos de terminación (x, r o d) deben ser anotados para cada extremo de lasdiscontinuidades relevantes, junto con la Iongitud en metros (ejemplo: 8(dx) =discontinuidad de 8 metros; un extremo termina contra otra discontinuidad y el otro no sedetermina por extenderse fuera de los límites de exposición). Es importante especificar lasdimensiones de exposición o afloramiento sobre los que se efecutaron las mediciones;esto, obviamente influenciará el número de observaciones (x) y la longitud relevante.


a. Los diferentes sistemas se deben describir como sistemáticos, subsistemáticos y nosistemáticos, de acuerdo a su persistencia relativa y pueden ser representados enbloques diagramáticos o fotografías.

b. Donde las exposiciones de discontinuidad sean de tamaño conveniente, se puedeelaborar un histograma con la resistencia de las longitudes de las trazas de cada sistemade discontinuidad, esto es necesario si subsecuentemente se aplicarán teorías de proba-bilidad de las cuales se debe anotar la longitud principal, tanto en la dirección del rumbocomo del echado.

c. Los datos de terminación de cada discontinuidad observada (por ejemplo, 8dx), debenser presentados con el índice de terminación (Tr), el cual se define como el porcentaje delas discontinuidades que terminan en roca (Σr) en relación con el número to tal determinación (Σr+Σd+Σx); esto se multiplica por dos, puesto que cada traza tiene dosterminaciones:

seravadasnuidadesobdedisconti No

X T Tr .

100)( %



86

Rugosidad

Se refiere a la rugosidad y ondulación que presenta la superficie del plano principal de unadiscontinuidad, la cual contribuye a disminuir ó aumentar la resistencia al esfuerzocortante.

Alcancesa. La rugosidad de las paredes de una discontinuidad es una componente potencial menteimportante para el esfuerzo cortante, en especial cuando las fracturas estánÍnterconectadas (juntas sin relleno) o sin desplazamiento. Su importancia declina con laabertura, espesor del relleno o cualquier incremento en el desplazamiento previo.

b. En general, el término de rugosidad de las paredes de una discontinuidad puede sercaracterizado por una ondularidad (que puede alterar localmente el echado) y porrugosidad propiamente dicha (de pequeña escala y que puede ser dañada durante eldesplazamiento de corte.

c. En la practica, las ondularidades afectan la dirección inicial del desplazamiento decortante relativo al plano de discontinua dad principal, mientras que, la irregularidad afectaal esfuerzo cortante; normalmente éste es probado en un laboratorio ó en pruebasdirectas de corte, in situ.

d. Si se conoce la dirección del desplazamiento potencial, la rugosidad puede serobtenida de perfiles lineales paralelos a esa dirección. En muchos casos, la direcciónrelevante es paralela al echado o buzamiento. En el caso en que el deslizamiento seaprovocado por la intersección de dos discontinuidades, la dirección potencial dedeslizamiento es paralela a la línea de intersección de los planos.

e. Si la dirección potencial de deslizamiento es desconocida pero sin embargo deimportancia, la rugosidad debe ser obtenida en tres direcciones en lugar de una o dos.

Procedimiento

Para definir la rugosidad de las superficies de discontinuidad es posible hacerlo conmétodos indirectos y directos; el primero, por medio de la fotogrametría; en el segundo,con un disco-clinómetro o un perfil lineal. En seguida se describen brevemente estosprocedimientos:

a. El método fotogramétrico. Se basa en la fotogrametría terrestre, con él se puedenobtener las coordenadas de numerosos puntos de rugosidad sobre superficies dediscontinuidades inaccesibles. De estos datos es posible elaborar contornos o perfiles derugosidad. El intervalo mínimo de contornos dependerá de la distancia de la cámarafotográfica a la superficie en cuestión. En algunos casos se podrán efectuar intervalos de1 mm, siendo los más comunes de 10 y 50 mm. Estos perfiles deben ser considerados enla dirección potencial del deslizamiento.

b. Discoclinómetro con brújula. Para utilizar este método es importante que lasdiscontinuidades sean accesibles y se considere el sitio donde puede ocurrir la falla por



87

cortante. Las mediciones de las superficies de rugosidad se pueden efectuar con discosde diámetro diferentes (Fig. 2.9); una base cuyo diámetro es pequeño dará valores altosde ángulo de rugosidad efecto va; mientras que, bases de gran diámetro proporcionaránángulos menores. En la Fig. 2.10 se complementa el procedimiento y a la vez se da unaforma de representar los resultados.

Figura 2.9

Polos en diagramas estereográficos de igual área representan la rugosidad de una superficie de roca utilizando discos de diámetros

diferentes. El echado promedio del plano es de 35° y su dirección de 170°



88

1

23

4

1= 5.5 cm2= 11 cm3= 21 cm4= 42 cm

10

20

30

40

-10

-20

-30

-40

10 20 30 40 50

Diametro del disco en cms.

Fig. 2.10 Contornos de dispersión máxima para diferentes diámetros de disco y gráfica de ángulos de rugosidad efectiva (i) a lo largode la dirección de desplazamiento potencial. Ejemplo adoptado de Fecker y Rengers.

c. Perfil lineal. En este método también es necesario seleccionar las superficiesaccesibles y relacionadas a falla por esfuerzo cortante. Dependiendo de las dimensiones

del plano de discontinuidad se puede utilizar una regla plegable de 2 m Ó 10 m,colocándola extendida por encima del plano de discontinuidad, paralelamente a ladirección principal de deslizamiento potencial. Por conveniencia deberán referirse a unplano los puntos más altos de la discontinuidad y éstos deberán, dentro de lo posible,estar alineados (Fig. 2.11). La distancia perpendicular (y) de la regla a la superficie dediscontinuidad será anotada con una aproximación de un milímetro, para las distanciastangenciales (x) es aconsejable ser flexible en la elección puesto que en un intervaloregular puede resultar que no se detecte un pequeño borde o cualquier otra forma similarde importancia potencial para el esfuerzo cortante. Con un promedio de intervalo de (x),aproximadamente igual al 2% del total de la longitud medida, es suficiente paraproporcionar un buen resultado de la rugosidad.



89

echado aparente

x

Y

Escala

=30°

azimut=

Perfil de rugosidad

Figura 2.11 determinación de la rugosidad a lo largo de la dirección potencial de deslizamiento.

o n d u l a

c i ó n

1. Muestra para corte en el laboratorio2. Prueba de corte ―in situ‖.

Figura 2.12 diferentes escalas de rugosidad en discontinuidades. La ondularidad puede ser caracterizada por el ángulo.



90

Las lecturas de (x) y de (y) se anotan paralelamente a las medidas del rumbo y echado.Estas, pueden ser diferentes de la orientación α/β de la discontinuidad. Dependiendo deldetalle requerido, los perfiles lineales pueden obtenerse de un sistema completo dediscontinuidad, o bien de una discontinuidad crítica en particular. Si el perfil lineal es tancorto que la ondularidad no fue obtenida a la vez de la rugosidad, el ángulo (i) de la

ondulación ilustrado en la Fig. 2.12 deberá ser obtenido utilizando el borde recto delclinómetro; además se deberá obtener la longitud y amplitud de la ondulación.

En las etapas preliminares de la cartografía (durante los estudios de factibilidad), ladescripción de la rugosidad puede ser limitada a términos descriptivos, los cuales estáncasados en dos clases de observaciones: a) pequeña escala, en varios centímetros; b)escala mayor, en varios metros. En la tabla 2.18 se presentan estos términos.

Tabla 2.8 Rugosidad

1 RUGOSO

2 LISO

3 LUSTROSO

4 RUGOSO

6 LUSTROSO

5 LISO

8 LISO

9 LUSTROSO

7 RUGOSO

QUEBRADO

ONDULANTE

PLANO

En la tabla 2.8 se presentan los perfiles típicos de rugosidad y la nomenclatura sugerida. La longitud de cada perfil está en el rango de

1 a 10 m. Las escalas horizontal y vertical tienen que ser iguales.

Resistencia en las paredes de las discontinuidades

Equivale a la resistencia a la compresión de las paredes adyacentes en unadiscontinuidad. Esta resistencia puede ser menor que la resistencia del bloque de la rocadebido a la meteorización ó alteración de las paredes. Si las paredes de la roca están encontacto la resistencia a la compresión es un componente importante del esfuerzocortante.



91

Alcances

a. La resistencia a la compresión de las paredes de una discontinuidad es unacomponente importante del esfuerzo cortante y deformabilidad, especialmente si lasparedes están en contacto, como es el caso de juntas sin relleno.

b. Los macizos rocosos generalmente están meteorizados cerca de la superficie, y enocasiones están alterados por procesos hidrotermales. La meteorización (y alteración)generalmente afecta las paredes de las discontinuidades mis que al interior de la masarocosa. Una descripción del estado de meteorización tanto del macizo rocoso como de laroca intacta es esencial para la descripción de la resistencia a la compresión de la paredde la discontinuidad.

c. Son dos los resultados de la meteorización: Uno de no minado por desintegraciónmecánica y el otro por la descomposición química incluyendo la disolución.Generalmente ambos efectos actúan juntos, pero depende del régimen climatológico queuno de estos pueda predominar.

d. La capa relativamente delgada de la pared de la discontinuidad en la roca afecta elesfuerzo cortante y a la deformabilidad, puede ser detectada por una simple pruebaíndice. La resistencia a la compresión simple se estima cualitativamente en el campo conpruebas de impacto con el martillo de Schmidt o el martillo de geólogo.

e. El contenido de determinado tipo de minerales o alteración de éstos, afecta laresistencia al esfuerzo cortante de las discontinuidades en forma intensa si las paredesson planas y lisas, por lo que el tipo de minerales contenidos entre estas deberá serdescrito cuando sea posible.

Procedimientos

a. Grado de meteorización del macizo rocoso. Se sugiere utilizarlos mismos términos parala descripción de la roca intacta. No obstante que se pueden modificar para situacionesparticulares. (Tabla 2.13).

b. Manual de pruebas. En la Tabla 2.19 se presenta un procedimiento de campo paradeterminar de manera aproximada la resistencia a la compresión simple en las paredes delas discontinuidades. La elección del número de pruebas y su localización dependerá deldetalle que se requiera. Se pueden usar, si están a disponibilidad, pruebas de cargaspuntuales para determinar la resistencia de las porciones intactas o frescas que se hayanobtenido en una superficie potencial de falla.

c. Los resultados se pueden representar anotando el grado y la descripción junto con elrango de la resistencia a la compresión simple que aparece en la Tabla 2.19. Además esimportante indicar el porcentaje de los resultados, por ejemplo; sistema de juntas Num. 1,la mayoría de resistencia media (R3, 25-50-MPa).aproximadamente 20% resistente(R4.50-100 MPa).



92

Tabla 2.19

GRADO DESCRIPCIÓN IDENTIFICACIÓN DEL CAMPORANGO APROXIMADO DE RESISTENCIA

A LA COMPRESIÓN SIMPLE.

S1Arcilla muy blanda Puede penetrarse fácilmente varios

centímetros con el puño < 0.025 (Mpa)

S2Arcilla blanda Fácilmente el pulgar penetra varios

centímetros0.025 - 0.05

S3arcilla firme el pulgar penetra varios centímetros,

aplicando un esfuerzo moderado 0.05 - 0.10

S4 arcilla rígida el pulgar penetra, pero solo con gran esfuerzo 0.10 - 0.25

S5 arcilla muy rígida mellada fácilmente con la uña 0.25 - 0.50

S6 arcilla dura mellada con dificultad con la uña > 0.50R0 extremadamente débil mellado con la uña 0.25 - 1.0

R1

muy débil se desmorona con los golpes firmes demartillo de geólogo, se puede rayar con unanavaja de bolsillo

1.0 - 5.0

R2 roca débilpuede ser rayada con dificultad con unanavaja de bolsillo 5.0 - 25

R3 moderadamente resistenteSe fractura con un golpe firme de martillo degeólogo. No se raya con navaja 25 - 50

R4 roca resistentese requiere mas de un golpe de martillo parafracturar al espécimen 50 - 100

R5 muy resistenteel espécimen requiere de muchos golpes demartillo para fracturarse 100 - 250

R6 extremadamente resistenteel espécimen solo se astilla cuando se legolpea con el martillo de geólogo > 250

Los grados si a s6 representan arcillas, limos y sus combinaciones (cohesivos y generalmente baja permeabilidad); en muchasocasiones forman el relleno de las discontinuidades. La resistencia de las paredes de las discontinuidades esta representada por los

grados de R0 a R6.

Abertura o separación

Es La distancia perpendicular entre las paredes adyacentes de una discontinuidad, esteespacio sólo puede estar ocupado por agua ó aire; es decir, no debe existir relleno entrelas paredes de la discontinuidad.

Alcances

a. La abertura deberá ser distinguida del espesor de relleno. Las discontinuidades quehan tenido relleno, también están en esta categoría, es decir, si el material de relleno hasido lavado localmente.

b. Aberturas grandes pueden resultar del desplazamiento de corte de las discontinuidades

con ondularidad y rugosidad apreciable, de fracturas de tensión, lavado del relleno y pordisolución.

c. En la mayor parte de las masas de roca bajo superficie, las aberturas son pequeñas yprobablemente menores de medio milímetro, comparadas a las decenas, centenas o aunmiles de milímetros de ancho de algunas de las variedades de discontinuidades deextensión ó de aquellas en las que el relleno ha sido lavado. A menos que ladiscontinuidad esté excepcionalmente lisa y plana, no es de gran significado para laresistencia al esfuerzo cortante una discontinuidad cerrada. (0.1 mm a 1.0 mm de



93

separación); sin embargo, indirectamente como un resultado de conductividad hidráulicala estreches de la abertura puede ser significativa en el cambio del esfuerzo normalefectivo y, consecuentemente, al esfuerzo cortante.

d. desafortunadamente, la observación visual de pequeñas aberturas es desconfiable, con

las posibles excepciones de las que se efectúan en núcleos de perforación y excavaciónde túneles; las aberturas visibles están destinadas a ser aberturas aleatorias, sea debidoa la voladura ó debido a efectos de meteorización superficial. La influencia de lasaberturas se valora mejor con pruebas de permeabilidad; de manera que, son anotadasdesde el punto de vista de su capacidad para desalojar y conducir agua.

Procedimiento

a. Es conveniente lavar las exposiciones de roca. Principalmente cuando se observan enexcavaciones subterráneas, en éstas resulta útil rociar con pintura blanca a la exposiciónpues se facilita la observación de aberturas finas; es esencial una buena iluminación.

b. Las aberturas finas se pueden medir con calibradores de mayor aproximación mientrasque aberturas más grandes conviene utilizar una regla graduada al milímetro. La variaciónde la abertura de una discontinuidad mayor se mide a lo largo de la traza de ladiscontinuidad.


a. Para la presentación de los resultados de la abertura de las discontinuidades se puedeutilizar la descripción de los términos.

b. La abertura modal deberá ser anotada para cada sistema de discontinuidad. (Se debendescribir cuidadosamente aquellas discontinuidades que son más abiertas ó más largasque las del valor modal.

c. Es conveniente fotografiar aquellas aberturas extremadamente amplias (10-100 cm) ocavernosas (> 1 m).

RELLENO

Es el material que separa las paredes adyacentes de roca en una discontinuidad,usualmente es más débil que la roca que lo origina.

ALCANCES

a. El relleno puede estar formado por arcilla, limo, arena, brecha ó milonita. Tambiénpuede incluir minerales que sellen las discontinuidades, por ejemplo; cuarzo y calcita. Ladistancia perpendicular entre las paredes adyacentes de roca determina el "espesor" deuna discontinuidad con relleno.



94

b. Debido a la enorme variedad de ocurrencia, los rellenos de las discontinuidades tienenun amplio rango de comportamiento físico en particular es de consideración su resistenciaal esfuerzo cortante, deformabi1idad y permeabilidad.

c. El amplio rango de comportamiento físico depende de muchos factores de los cuales

los mas importantes pueden ser la mineralogía del material de relleno, el tamaño de laspartículas, su proporción de consolidación, el contenido de agua y permeabilidad, eldesplazamiento previo de cortante, la rugosidad de las paredes, el espesor del relleno y elfracturamiento de la pared de la roca en la discontinuidad.

d. En cada observación se deben incluir los factores mencionados, utilizando en lo posibledescripciones que se puedan cuantificar y dibujar o, fotografías de los casos másimportantes. Ciertas pruebas índice son sugeridas para investigaciones detalladas dediscontinuidades mayores que pueden poner en peligro la estabilidad del macizo. Encasos especiales, los resultados de estas descripciones de campo pueden dar apoyo a larecomendación de pruebas "in situ" de gran escala, como es el caso de cimentación depresas y cortes en taludes de gran altura.

Procedimientos

a. Espesor . Los espesores máximo y mínimo de discontinuidades simples con rellenodeben ser medidos con una aproximación de error del 10% y hacer una estimación delespesor común o modal. Diferencias marcadas entre los espesores máximo y mínimopueden indicar el desplazamiento de corte ocurrido, esencialmente si las paredes estáninalteradas o sin intemperismo. La dimensión principal de una discontinuidad compleja ycon relleno, por ejemplo zonas de corte, zonas fragmentadas, fallas, zonas de falla,diques y contactos litológicos, también se estimarán cuando sea posible, con unaaproximación de error del 10%.

b. Grados de alteración. Las discontinuidades con relleno originadas por meteorizaciónpueden estar compuestas de roca desintegrada o alterada. El tipo relevante del rellenodebe ser anotado de la manera siguiente:

Desintegrada. La roca está meteorizada a la condición de un suelo en el cual la fábrica(arreglo) original aún está intacta. La roca es friable, pero los granos minerales no estánalterados.

Alterada. La roca está meteorizada a la condición de suelo en el que la fábrica originaltodavía está intacta, pero algunos o todos los granos minerales están alterados.

c. Mineralogía. Es necesario determinar la composición mineralógica del relleno. Lafracción fina es de mucho interés puesto que comúnmente controla a largo plazo elesfuerzo cortante, en especial, cuando se tiene la sospecha de arcillas expansivas.

d. Tamaño de las partículas. El método para describir la granulometría depende del tipode ocurrencia. Con una estimación burda de la granulometría se pueden obtenerporcentajes de arcilla limo, arena y fragmentos de roca (+,- 10%). Se puede clasificar eltamaño de las partículas de acuerdo a la escala presentada en la Tabla 2.9. Una



95

investigación detallada puede ser apoyada con estudios de laboratorio de mecánica desuelos para determinar:

- fracción de arcilla (% <2 micras).- % que pasa la malla No 200 (74 micras)

- pruebas índice de Atterberg para determinar límite líquido y el límite plástico: IP = (LL-LP) (ver Tablas 2.22, 2.23 y 2.24)

Tabla 2.22 Plasticidad

TÉRMINO IPRESISTENCIA ENESTADO SECO

PRUEBA DE CAMPO

no plástico 0--3 muy bajase desplazafácilmente

ligeramente

plástico 4--5 ligera

se tritura fácilmente

con los dedosmedianamenteplástico

15--30 media difícil de triturar

muy plástico 30 altaimposible triturarlo conlos dedos

IP (índice de Plasticidad) representa la variación en humedad que puede tener unsuelo que se conserva en estado plástico, 1:8 Sowers (1979)

Tabla 2.23 Limite de Atteerberg

ESTADO DESCRIPCIÓN LÍMITES

LíquidoUna pasta; sopa de guisantes amantequilla blanda; un líquido viscoso.

límite líquido(Ll)

plásticoMantequilla blanda a masilla dura; sedeforma pero no se agrieta.

límite plástico(LP)

semisólidoQueso; se deforma permanentementepero se agrieta. límite de retracción (LR)

SólidoCaramelo duro; se quiebra al

deformarse.



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Tabla 2.24 Consistencia de suelos finos

CONSISTENCIANÚMERO DE

GOLPESPRUEBA SIMPLIFICADA

Muy blanda

2Fácilmente penetrable con elpuño (varios centímetros)

BLANDA 2--4 Fácilmente penetrable con elpulgar (varios centímetros)

MEDIA 4--8Penetrado con el pulgar conesfuerzo moderado (varioscentímetros)

DURA 8--15Fácilmente marcada con elpulgar pero penetrado sólo congran esfuerzo

MUY DURA 15--30 Fácilmente marcado con la uña

DURÍSIMA 30 Marcado con dificultad con lauña

Se refiere a una correlación con la prueba de penetración estándarMalcev, A. Interpretation of Standard Spoon Penetration for Test -ing, theEconomic Use of Soil Testing in site Investígation, Bir -mingham, 1964.

e. Resistencia del relleno. El material de relleno, en particular la fracción fina,comúnmente débil, puede ser valorado por medio del manual de pruebas índice tabuladoen el inciso de la resistencia de las paredes; sin embargo, puede ser reemplazadautilizando un penetrómetro estándar de los utilizados en mecánica de suelos.

f. Desplazamiento previo. Se debe tomar cuidado si una discontinuidad con relleno hasufrido desplazamiento de corte (superficies pulidas, cizallas, y desplazamiento de juntas

transversales, etc.).

g. Contenido de agua y permeabilidad. Es necesario describir en conjunto el contenidode agua y la permeabilidad del relleno, describir el contenido de arcilla como un casoparticular (ver también Filtraciones).


a. El detalle de la presentación dependerá de la importancia del sistema o de ladiscontinuidad individual. Se incluye la geometría, tipo de relleno, resistencia del relleno yel escurrimiento, para el cual se sugiere la valoración de la Tabla 2.25.



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Tabla 2.25 Contenido de agua y permeabilidad del relleno (discontinuidades con relleno)

GRADO IDENTIFICACIÓN DE CAMPO

W1El material de relleno esta' fuertemente consolidado y seco, no es probableque se presente un flujo significativo debido a la baja permeabilidad.

W2 El material de relleno está húmedo pero no hay agua libre

W3 El material de relleno está húmedo y hay goteos ocasionales de agua

W4El material de relleno presenta signos de ser lavado; flujo continuo de agua(estimar litros/minuto)

W5Los materiales de relleno son acarreados localmente, flujo considerable deagua a través de grietas (estimar litros/minuto y describir la presión, porejemplo ; baja, media, alta)

W6Los materiales de relleno son acarreados completamente, muy alta presiónde agua, especialmente al principio de la exposición (estimar litros/minutosy describir la presión)

Filtraciones

Se refiere al flujo de agua y humedad libre visible en discontinuidades o en el macizorocoso.

Alcances

a. Las filtraciones de agua en los macizos rocosos ocurren principalmente a través de lasdiscontinuidades ("permeabilidad secundaria). Sin embargo, en el caso de ciertas rocassedimentarías la "permeabilidad primaria" puede ser tan significativa que gran proporciónde las filtraciones sea a través de los poros.

b. El conocimiento de los niveles de agua subterránea, la trayectoria de las filtraciones ylas presiones aproximadas de agua pueden dar un antecedente de estabilidad o dificultadpara la construcción. La descripción de campo del macizo rocoso deberá precedercualquier recomendación de prueba de campo de permeabilidad, de manera que estosfactores deberán ser cuidadosamente valorados en una etapa temprana.

c. Los niveles irregulares de agua subterránea y los mantos colgados pueden serencontrados en masas de roca que son interceptados por estructuras impermeables, talescomo diques, discontinuidades rellenas de arcilla, o a través de estratos permeables.Detectar las barreras de flujo asociadas a mantos de agua irregulares es de considerableimportancia, especialmente para proyectos de ingeniería donde tales impedimentospueden penetrar a la profundidad de una obra subterránea, resultando flujos de agua dealta presión al interior de la excavación.

d. Los escurrimientos causados por el drenaje dentro de una excavación pueden provocargraves consecuencias en casos de abatimientos de los niveles de agua subterránea; porejemplo, hundimiento de estructuras cimentadas sobre depósitos arcillosos.



98

e. La descripción aproximada de la hidrogeología local deberá ser suplementada conobservaciones detalladas del escurrimiento a través de las discontinuidades o sistemasparticulares, de acuerdo a su importancia relativa para la estabilidad. Las observacionesconcernientes a la precipitación reciente en el área ayudarán en la interpretación de estosdatos.

f. En el caso de taludes en roca, el diseño preliminar estará basado sobre valoressupuesto del esfuerzo normal efectivo. Si con el resultado de las observaciones de campose tiene una suposición pesimista de presión de agua, son justificados los problemas quese tendrán para el diseño.

Procedimientos

a. Se deben estudiar los mosaicos obtenidos con" procedimientos fotogramétricos, yobtener una exposición del drenaje local y del agua subterránea. El agua subterráneapuede estar indicada por el aumento de vegetación a lo largo de fallas y diques decomposición básica.

b. La descripción de la geohidrología local será limitada a las etapas preliminares de lacartografía. Con ésta se deberá valorar la necesidad de barrenos de exploración paradeterminar niveles de agua; instalación de piezómetros y bombeo; su localización óptimadebe ser indicada en planos apropiados.

El escurrimiento a través de discontinuidades con o sin relleno puede ser valorado deacuerdo a los esquemas descriptivos de las Tablas 2.25 y 2.26.

Tabla 2.25 Contenido de agua y permeabilidad del relleno(discontinuidades con relleno)

GRADO IDENTIFICACIÓN DE CAMPO

W1 El material de relleno está fuertemente consolidado y seco, noes probable que se presente un flujo significativo debido a labaja permeabilidad

W2El material de relleno está húmedo pero no hay agua libre

W3 El material de relleno está húmedo y hay goteos ocasionales deagua

W4 El material de relleno presenta signos de ser lavado; flujocontinuo de agua (estimar litros/minuto)

W5 Los materiales de relleno son acarreados localmente, flujoconsiderable de agua a través de grietas (estimar litros/minuto ydescribir la presión, por ejemplo ; baja, media, alta)

W6 Los materiales de relleno son acarreados completamente, muyalta presión de agua, especialmente al principio de la exposición(estimar litros/minutos y describir la presión)



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Tabla 2.26 Filtraciones de discontinuidades sin relleno

VALORACION DEESCURRIMIENTO

DESCRIPCIÓN

l La discontinuidad es muy cerrada y seca; el

flujo de agua a través de ésta no parece posible

ll La discontinuidad está seca sin evidencia deflujo de agua

lll La discontinuidad está seca pero presentaevidencia de flujo de agua; 'por ejemplo,manchas de moho, etc.

lV La discontinuidad está húmeda pero el agualibre no está presente

V La discontinuidad presenta escurrimientodifuso; goteos ocasionales, pero no flujoscontinuos

Vl La discontinuidad presenta un flujo continuo(Estimar litros/minuto y describir la presión, porejemplo, baja, media, alta)

En el caso de obras de ingeniería que actúan como drenaje del macizo rocoso; porejemplo un túnel, es de mucha ayuda describir el flujo hacia el interior de la excavación ensecciones individuales de la estructura. Esto deberá efectuarse inmediatamente despuésde la excavación, puesto que los niveles de agua subterránea, o el agua almacenada enla roca puede agotarse rápidamente. Las descripciones se pueden basar en el esquemade la Tabla 2.27

Tabla 2.27 Filtración en el interior de una excavaciónsubterránea (túnel)

VALUACIÓN DELESCURRIMIENTO

DESCRIPCIÓN

l Techo y paredes secos, no sedetecta escurrimiento

ll Escurrimiento difuso, goteo endiscontinuidades específicas.

lllInfiltración media, discontinuidadesespecíficas con flujo continuo

(estimar litros por minuto por 10 mde longitud de excavación)

lVInfiltración mayor, discontinuidadesespecíficas con flujos fuertes(estimar litros por minuto por 10 mde longitud de excavación)

v

Infiltración excepcional mente alta,origen específico de flujosexcepcionales (estimar litros porminuto por 10 m de longitud deexcavación)



101

c. La estabilidad de una sección de túnel, talud en roca, o la deformabilidad de unacimentación, estará en función del número local de sistemas relevantes, más que del totaldel número cartografiado.

d. Para propósitos de identificación el reconocimiento, visual del número de sistemas, sedeberá acompañar de algún sistema de numeración, por ejemplo, el sistema mássistemático y persistente puede ser rotulado como "Sistema No. 1", consecuentemente,los sistemas pueden ser numerados en el orden de su importancia con relación a laestabilidad.


a. El número de sistemas, puede ser representado en parte con los datos de la orientación(Ver orientación).

b. El número de sistemas de juntas que ocurren localmente (por ejemplo, a lo largo de untúnel), puede ser descrito de acuerdo al esquema de la Tabla 2.28

Tabla 2.28 Número de sistemas de juntas (local)

VALORACIÓN DESCRIPCIÓN

l masiva, juntas aleatoriasocasionalmente

ll un sistema de juntas

lll un sistemas de juntas más

aleatoriaslV

dos sistemas de juntas

v dos sistemas de juntas másaleatorias

Vl tres sistemas de juntas

Vlltres sistemas de juntas másaleatorias

Vlll cuatro o más sistemas de juntas

lX roca fragmentada, terrosa

Tamaño del bloque

Las dimensiones del bloque de roca son el resultado de la orientación de los sistemas de juntas que se interceptan y del espaciamiento individual de los sistemas. Lasdiscontinuidades individuales pueden tener también influencia en la forma y tamaño de losbloques.

Alcances

a. El tamaño de los bloques es un indicador importante del comportamiento del macizorocoso.



102

b. El número de sistemas y la orientación determina la forma de los bloques resultantes,los cuales pueden ser semejantes a cubos, romboedros, tetraedros, lajas, etc. Sinembargo, las formas geométricas regulares son la excepción más que la regla, puesto quelas juntas en cualquier sistema son rara vez consistentemente paralelas. La estratificación

en rocas sedimentarias produce comúnmente las formas de bloques más regulares.c. Las propiedades combinadas del tamaño del bloque e interconexión entre sí,determinan el esfuerzo cortante y el comporta miento mecánico del macizo rocoso bajocondiciones de esfuerzos.

Los macizos rocosos compuestos por grandes bloques tienden a ser menos deformables;en el caso de construcciones subterráneas desarrollan un arqueamiento e interconexiónfavorable. En el caso de taludes, un tamaño de bloque pequeño puede cambiar el modopotencial de falla.

d. La eficiencia de las voladuras en la explotación de canteras está en función del tamañodel bloque natural "in situ".

e. El tamaño del bloque puede ser descrito por los términos de dimensión promedio de losbloques típicos (índice del tamaño de bloque, Ib), o por el número total de juntas que seinterceptan por unidad de volumen del macizo rocoso (consideración volumétrica de

juntas, Jv).

Procedimientos

a. índice del tamaño del bloque (lb). Puede ser estimado por la selección ocular de variosbloques de tamaño típico y tomar sus dimensiones promedio. Puesto que puede tener unrango de milímetros a varios metros, una medida aproximada de 10% será suficiente.

Cada dominio deberá ser caracterizado por un valor lb modal, junto con el rango, porejemplo; el índice de bloques típicos más grandes y los más pequeños. Siempre se debeanotar el número de sistemas junto con Ib.En el caso de rocas sedimentarias, dos sistemas de juntas mutuamente perpendiculares,constituyen formas de bloques cúbicos o prismáticos. En tales casos, Ib se describecorrectamente por:

b. Consideración volumétrica de juntas (Jv). Se define como la suma del número de juntaspor metro para cada sistema de juntas presente. Las discontinuidades aleatorias tambiénse pueden incluir, aunque generalmente tienen poco efecto en los resultados.

El número de juntas de cada sistema deberá ser contado perpendicularmente del sistemarelevante. Se sugiere un muestreo en una longitud de 5 o 10 m. La cantidad de juntastendrá que ser dividida entre 5 o 10 m de muestreo para expresar los resultados comonúmero de juntas por metro. Un resultado típico de tres sistemas de juntas y unadiscontinuidad aleatoria, contados a lo largo de 5 o 10 m de líneas de muestreoperpendiculares, pueden representarse como sigue:



103

Jv= 0.6 + 2.4 + 1.0 + 0.1 = 4.1/m3 (Tamaño medio de bloques)

Los términos descriptivos de la Tabla 2.29 dan la proporción aproximada del tamaño delBloque.

Tabla 2.29 Tamaño de los bloques

DESCRIPCIÓN Jv (JUNTAS /m3)

bloques muygrandes

< 1.0bloques grandes 1—3

bloques detamaño medio

3—10

bloques pequeños10—30

bloques muypequeños

>30

Valores de Jv mayores que 60 representan rocafragmentada.

c.Para dar una idea de la forma de los bloques en los macizos rocosos, se puedendescribir con los adjetivos de la Tabla 2.30

Tabla 2.30 Forma de los bloques

DESCRIPCIÓN Características

masivo pocas juntas, o espaciamiento muyamplio

cúbica aproximadamente equidimensional

tubular una dimensión considerablementemás pequeñas que las otras 2

columnar una dimensión considerablementemas grande que las otras 2

irregular variación amplia en la forma ytamaño de los bloques

fragmentada gran cantidad de juntas

Deben tomarse en consideración son las cinco siguientes:

El nombre de la roca, con una descripción geológica simplificada.

Dos características estructurales del macizo rocoso; es decir, espesor de las capas eintercepción de fractura.



104

Dos características mecánicas; la resistencia a la compresión simple de la roca intacta y elángulo de fricción de las fracturas.

DESCRIPCIÓN DEL B.G.D.

Cuando se aplica la BGD se debe dividir el macizo rocoso en zonas que son unidadesgeotécnicas, cuyas características pueden ser consideradas uniformes con respecto a losrequerimientos del proyecto sin embargo, las características relevantes pueden desplegaruna variación considerable dentro de la unidad geotécnica.

Una zona puede incluir volúmenes de macizos rocosos no contiguos, tales comointerestratificaciones de capas sedimentarias o formaciones volcánicas con las mismascaracterísticas geotécnicas. Un zoneamiento preliminar puede basarse en los datosgeológicos generales; diferenciación litológica, grado de alteración, características defracturas, etc. La terminología para definir las cinco características esenciales sedescriben brevemente a continuación.

Nombre de la roca. Debe estar de acuerdo a la clasificación genética y deberánconsiderarse los aspectos siguientes:

Estructura geológica del macizo rocoso (pliegues, fallas, etc.).

Fracturamiento del macizo rocoso.

Color, textura y composición mineral de la roca intacta.

Grado de alteración o meteorización.

Espesor de las capas. En una zona donde un macizo rocoso está formado por capas, elespesor de las capas es el valor medio de la zona considerada. El término capa se utilizaaquí en su sentido más amplio y puede ser aplicado a formaciones ígneas, sedimentariasó metamórficas.

El espesor de las capas en una zona se indica con cinco intervalos L1 a L5 (ver Tabla2.31); a las zonas que no tienen capas se les asigna el símbolo LO. Si sólo se muestrantres intervalos se utilizan los símbolos L1, 2.; L3; L4, 5 con su descripción correspondientede la Tabla 2.31



105

Tabla 2.31 Espesor de capas

INTERVALOS CM SÍMBOLOS(BGD) TERMINOS DESCRIPTIVOS

> 200 L1 muy grande

L1,2 grande60--200 L2 grande

20--60L3

moderado moderado

6--20 L4 pequeño

L4,5 pequeño

<6 L5 muy pequeño

Intercepción de fracturas. Se define como la distancia media entre fracturas sucesivasmedidas a lo largo de una línea recta. Cuando la intercepción de fractura cambia dedirección, el valor adoptado en la descripción será correspondiente al de la dirección a lolargo de la cual se intercepte el valor medio más pequeño.

Los intervalos están representados por símbolos F1 a F5 y/o usando un sistemasimplificado de tres clases: F1, 2; F3; F4, 5; como se presenta en la Tabla 2.32. Una zonasin fracturas se describe por el símbolo F0.

Tabla 2.32 Intercepción de fracturas

INTERVALOSCM

SÍMBOLOS(BGD) TERMINOS DESCRIPTIVOS

>200 F1 MUY AMPLIO

F1,2 AMPLIO

60--200 F2 AMPLIO

20--60 F3 MODERADO MODERADO6--20 F4 CERRADO

F4,5 CERRADO

<6 F5 MUY CERRADO

Resistencia a la compresión simple. Se refiere al valor medio de la resistencia demuestras de roca tomadas en puntos de la zona fuera de fracturas y otrasdiscontinuidades donde la roca puede estar más alterada.

Cuando la roca intacta es marcadamente anisotrópica en su resistencia, el valorconsiderado para la descripción deberá corresponder al de la dirección a lo largo de lacual el valor medio de la resistencia sea el más pequeño. Sin embargo, en tales casos esimportante anotar la resistencia a la compresión simple en otras direcciones. Como en losdos casos anteriores, la caracterización de la resistencia a la compresión simple estarábasada en cinco o tres intervalos (ver Tabla 2.33).



106

Tabla 2.33 Resistencia a la compresión simple de la roca

INTERVALOS(Mpa)


>200 S1 MUY ALTA

S1,2 ALTA

60--200 S2 ALTA

20--60 S3 MODERADO MODERADO6--20 S4 BAJA

S4,5 BAJA

<6 S5 MUY BAJA

Ángulo de fricción de fracturas. Esta definido como la pendiente de la tangente en elpunto de la envolvente donde el esfuerzo normal es de un Mega Pascal.

Esta es una definición arbitraria sólo para propósitos de clasificación, de manera que elvalor no tiene porque ser igual al que se use en el diseño del proyecto.

La obtención del ángulo puede resultar de las pruebas de laboratorio o de una estimaciónauxiliada de las observaciones de campo, tales como la rugosidad de las superficies delas fracturas, la naturaleza y espesor de los materiales de relleno, etc. El valor del ángulode fricción de fractura en una zona, es el valor medio de los resultados obtenidos en lazona (ver Tabla 2.34).

Tabla 2.34 Ángulo de fricción de las fracturas

INTERVALOS(GRADOS)


>45 A1 MUY ALTA

A1,2 ALTA

35--45 A2 ALTA

25--35 A3 MODERADO MODERADO

15--25 A4 BAJA

A4,5 BAJA

<15 A5 MUY BAJA

Cuando ocurran sistemas de fractura que difieren en su resistencia al esfuerzo cortante, elángulo de fricción adoptado corresponderá al sistema que presenta al valor medio máspequeño, a menos que se garanticen otras circunstancias específicas.

Aplicación de la BGD. Para la aplicación de este tipo de descripción del macizo rocoso,los datos deben ser presentados con los requerimientos de los esquemas de las Tablas

5.3 y 5.4; en la primera, se ponen los datos de la descripción y, en la segunda los valoresde los parámetros. La información suplementaria depende de los requerimientosparticulares de cada proyecto.



107

Tabla 5.3 Descripción Geotécnica Básica (BGD)

TIPO DE TRABAJO(1)ETAPA DEINVESTIGACIÓN(2)

EXPOSICIÓN (3)

LOCALIZACIÓNOBSERVADOR(4)

FECHA:

.(5)

NOMBRE DE LAROCA YDESCRIPCIÓNGEOLÓGICAGENERAL (6)

DESCRIPCIÓNGEOLÓGICA

ADICIONAL (7)

ZONAS ocurrencia caracterización(9) zonas Ocurrencia(8) caracterización(9)

l v

ll Vllll Vll

lV Vlll



108

Tabla 5.4 Computación de parámetros

ZONA PARÁMETROSMUESTRAS

%DESVIACIÓNESTANDAR

BGDSÍMBOLO

1 2 3 4

espesor de las capas (cm)

l interc. Fracturas (cm)

resist. a la comp. (Mpa).

ángulo de fricción


ll interc. Fracturas (cm)




lll interc. Fracturas (cm)



espesor de las capas (cm)lV interc. Fracturas (cm)




V interc. Fracturas (cm)



OBSERVACIONES (11)

espesor de lascapas (cm)

interc.Fracturas (cm)

resist. a lacomp. (Mpa).

ángulo defricción

(1) Principales características de la estructura (2) Preliminar, final...(3) Afloramiento Trinchera, Núcleo..(4)Nombre (5) Pares estereoscópicos de fotografías, con las zonas marcadas. Pueden ponerse fotosnormales y/o esquemas (6) Nombre de la roca; estructura, fracturamiento, alteración (7) Aspectosespecíficos que deben ser considerados para cada zona (8) Proporción estimada, por volumen, de laocurrencia de cada zona relativa a la masa de roca observada (9) Nombre de la roca seguida por elsímbolo del intervalo del valor del parámetro (10)Ver los artículos 3,5,6,7 y 8 del BGD (11) Métodosseguidos en la determinación de los parámetros y las dificultades encontradas



109

CAPÍTULO 5

DATOS GEOLÓGICOS DE INTERES REQUERIDOS EN LA INGENIERÍA CIVIL

INTRODUCCIÓN

Es la información necesaria para determinar la factibilidad de construcción de obra civil, ya que a su vez contribuye a realizar un estudio geotécnico. Dicha información comprende:

Litología Naturaleza, características texturales y propiedades.

Discontinuidades Fallas, fracturas y juntas, con determinación deforma, frecuencia y relleno.

Estratigrafía Origen, espesor, distribución y posición en lasecuencia de las distintas unidades biológicas

presentes. Geomorfología Evolución de las formas y su relación con otros

fenómenos y accidentes. Topografía.

Hidrología Flujo de agua superficial y subterránea,composición y niveles.

Geodinámica externa Fenómenos de erosión y movimiento en masa delterreno (solifluxión, "creep" y deslizamientos).

Geodinámica interna Vulcanismo, focos sísmicos.

Materiales de construcción Agregados, enrocamiento y arcillas, con

determinación de calidad y volumen. Modificaciones del medio

natural debidas a la accióndel hombre

Cortes, vaciado y llenado de presas, terraplenes.

Los datos geológicos son necesarios primero cuando se selecciona en gabinete un sitiopara construcción, es decir, en al etapa de anteproyecto; enseguida, en la etapa quecorresponde a la definición de las características geotécnicas del sitio de construcción,tanto en el reconocimiento preliminar como durante los estudios detallados.

IMPORTANCIA DE GEOLOGÍA EN LA CONSTRUCCIÓN DE OBRAS CIVILES YPARTICIPACIÓN DEL GEÓLOGO DENTRO DE LAS MISMAS

Puede aseverarse sin temor a equivocación que no existe obra civil, sobre todo si esta esde gran magnitud que no necesite de la geología, más aun se puede decir que elconocimiento geológico de un sitio es el punto de partida para la construcción de cualquierobra. Se trata desde luego del conocimiento geológico a pequeña escala, a una escala derelojería, que nos hable de la litología, estratigrafía, de las discontinuidades, de losfenómenos de geodinámica (externa-interna) y de la geohidrología. Es justamente en labúsqueda de los conocimientos donde hace acto de presencia el geólogo.



110

DATOS GEOLÓGICOS REQUERIDOS

DATOS TIPO DE OBRA GEOLÓGICOS PRESA OBRA SUB- EXCAVACIÓN VÍAS TE LINEA DE AERO CIM

CORTINA VASO TERR NEA CIELO RRESTRES TRANSMISI

CANAL PUENTE PUERTO PUERTO TACI

1.- Litología1.1 SUELOSespesor en metros E E E E E E E E E E

Extensión RE R RE RE RE RE RE RE RE RE REClasificación RE R RE RE RE RE RE RE RE RE RE

Composición E EC E E E E E E E E

textura E E E E E E E E E E

estructura EC E EC E E EC E E EC EC

porosidad E E E E E E E EC EC EC

Permeabilidad REC RE RE RE E E EC EC E E EC

1.2 ROCAS i profundidad roca sana EC EC E E E E E E E

Clasificación RE R RE RE RE RE RE RE RE RE RE

Textura RE RE RE R E RE E E RE E

estructura RE RE RE RE RE RE RE E E RE

porosidad RE R RE RE E EC E E E EC

permeabilidad REC RE RE RE E E EC EC E E EC

Recuperación E E E E E

índice de calidad de roca E E E E E

2.- DISCONTINUIDADES2.1.- FALLAS Y JUNTAS(MACLASAS)presencia RE R RE RE REC R RE RE RE R R

tipo RE R RE RE RE R R RE RE R RE

frecuencia E EC EC EC E EC E EC

Rumbo y echado REC RE REC REC REC R ¡ Sí REC RE R R

Característicasamplitud RE E REC REC REC REC REC RE R RE

relleno RE E REC REC RE RE RE RE RE

Paredes RE REC REC REC RE E2.2 PLIEGUESpresencia RE RE RE REC R RE RE RE R R

intensidad REC RE EC REC REC RE RE RE

Tipo REC RE REC REC REC E RE RE R RE

Rumbo REC RE REC REC REC RE RE RE R RE

2.3.- DISCORDANCIAStipo RE RE REC REC REC RE RE magnitud RE RE REC REC REC RE RE 2.4.- CAMBIOS DE FASES EC E EC E E 3.- ESTRATIGRAF Aformaciones o unidadeslitológicas R R RE RE RE R RE E RE RE E

espesores RE E E E E E E EC E E

distribución RE R REC REC RE R RE RE REC RE RE

Posición en la secuenciaentre diferentes unidades REC R EC EC R E E E

Ambientes de depósito RE E E R E E E E E

4.-GEOMORFOLOG Aformas del relieveevolución de las formasDel relieve RE RE R RE R R RE RE interrelación de las formasEl relieve con otros accidentesdel terreno REC RE REC REC REC R RE RE RE

Topografíaarsticidad

RE RE

RER

RE RE

RECO R

REC RE RE RE

E RR

RE RE

RE RE

RERE

RR

5.- HIDROLOG A5.1 flujo de agua superficial R R R RE RECO RE RE RE R RE

5.2 acuíferosNiveles placentricos ECO ECO ECO ECO ECO ECO EO ECO E EC

artesianismo y manantiales RE RE RE RE RE RE RE R

composición del agua E EC E E E E E

Temperatura del agua E EC E E

Flujo del agua subterránea EC EO ECO ECO EC EC EC ECO E EC



111

6.- GEODINÁMICA EXTERNA Erosión a interperísmo RECO RE RECO REC RECO RE RECO RECO RECO RE OC Transporte RE RE RE RE R R RE REC R acumulación EO E E RE RECO R R movimiento en masa del terreno R R R R R R R R solifluxión E ECO ECO E ;ECO EC RECO

Creep (flujo plástico)

E

E

EC

ECO

ECO

E

ECO

EC

R

RECO

deslizamiento E E EC ECO ECO E ECO EC RE RECOavalanchas E E ECO ECO E ECO EC RE Perturbaciones ciclónicas R R R R R R 7.-GEODIN MICA INTERNA vulcanismo R R RE R R , R Sismicidad y focos sísmicos R R R R R RE R R RE R RE esfuerzos tectónicos R R REC R R E Terreno expansivo extruible E E E EC RE RE RE EC terreno explosivo EC EC presencia de gases a vapores gradiente geotérmico ECO 8.- MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Agregados R R R R R R R R R RE Enrocamiento R R R RE Suelos finos R R R calidad de los materiales E E E E E E E E E volumen de los materiales E E E E E E 9.- MODIFICACIONES DEL MEDIO NATURAL DEBIDAS A LA ACCIÓN DEL HOMBRE CO CO CO CO CO CO CO CO CO CO

Datos geológicos que deben obtenerse

En la selección del sitio y el RECONOCIMIENTO preliminar (R)Durante la EXPLORACIÓN del sitio de construcción (E)En la etapa de CONSTRUCCIÓN de la obra (C)Durante la OPERACIÓN de la obra (O)



112

DESARROLLO DE LAS ETAPAS DE EXPLORACIÓN PARA UNA OBRA CIVIL

ETAPA ESTUDIO DESARROLLO

Reconocimiento

Preliminar

Topografía Recolección de la información disponible Fotogrametría

Geotecnia Recopilación bibliográfica y cartográfica

Estudio de sendores FotogeologíaRecorridos de campo Otros

Exploración e

investigación

detallada

Topografía Fotogrametría Levantamiento topográficos

Geotecnia Levantamientos

Geotécnicos

Litología, estratigrafía y estructuras Fallas Reconocimiento

de ; Fracturas y juntas discontinuidades Estratificación

Discontinuidades

Estabilidad de taludes Fenómenos Externa Zonas de alteración y

de Discontinuidades Geodinámica Fallas activas Interna

Volcanismo y sismicidad , Tectónica

Geofísica Localización de roca sana

Localización del nivel freático Estratigrafía Calidad de los

materiales

Perforaciones Muestras de suelos alterados e inalterados Recuperación de

núcleos de roca y muestreo integra Inspección de las paredes de

los pozos (TV y Fotografía)

Excavaciones Muestras cúbicas de suelos y rocas Estratigrafía Característicasestructurales de los macizos Observación de fallas y fracturas

Pruebas de campo Resistencia y deformabilidad. Permeabilidad Estado de esfuerzos

tectónicos

Pruebas de

laboratorio

Propiedades índice Propiedades mecánicas Mineralogía y

petrografía

Construcción Geotecnia Localización y

ubicación de

bancos y ensayes

de materiales

Obtención de materiales de construcción Definición de métodos

constructivos

Operación Geotecnia Instrumentación y

control

Piezometría

Instrumentación de fallas y taludes ,Pruebas de inyección

Influencia de la obra en los procesos geológicos



113

Se ha escuchado con frecuencia que cuando una obra civil falla se dice que fallo lageología y aunque el 90% de las obras fallan por falla del terreno, no se trata de la falla dela geología sino falla de quien hizo la investigación geológica. De ahí la importancia deque el estudio se haga con el mejor detalle, sin escatimar, ni tiempo, ni dinero y esfuerzo.

ETAPAS DEL ESTUDIOEl objetivo general de las investigaciones que se realizan en un sitio es determinar lascondiciones geotécnicas del terreno que intervengan en el proyecto, diseño, costo y vidaútil de un proyecto ingenieril propuesto. O bien, en el estudio de las condiciones deproyectos terminados o parcialmente terminados. Antes de comenzar con el análisis delos métodos de exploración geológicos es conveniente establecer una secuenciaordenada y bien planeada para realizar los estudios, lo cual se traduce en mayor rapidez,eficiencia y menor costo de los trabajos de la obra, con base a las condiciones geológicasy geotécnicas de la zona.

Esta etapa por lo regular no requiere de grandes erogaciones pero es importante que enella colabore un geólogo con experiencia de geotecnia, ya que estos trabajos serán lapauta para la planeación de estudios posteriores. Las actividades que comúnmente serealizan en esta etapa y en la secuencia que se muestra a continuación son lassiguientes:

-Recopilación de información. Es necesario obtener la mayor cantidad de información,derivada de estudios desarrollados en el área o cercanos a ella recurriendo a lasdependencias u organismos que dispongan de ella. Esta información debe ser analizada ysintetizada para obtener datos generales relacionados con la topografía, hidrologíasuperficial y subterránea, litología, estratigrafía, fenómenos de Geodinámica, problemasgeotécnicos característicos de la región, etc.

-Inspección de las fotografías aéreas e imágenes de satélite existentes.

-Reconocimiento preliminar. Es la inspección del sitio que permite evaluar la informaciónrecopilada previamente y complementarla con observaciones de campo para determinarla factibilidad de la construcción de alguna obra civil y fundamentar el programa detalladode exploración.

El reconocimiento debe proporcionar información acerca de la accesibilidad, recursoshumanos del marco geológico general, identificar las estructuras geológicas importantes,localizar discontinuidades (fracturas, fallas, planos de estratificación, discordancias),conocer la geomorfología, los procesos de Geodinámica interna (sismicidad, volcanismo),Geodinámica externa (erosión, movimientos en masa del terreno), la hidrología superficialy subterránea y la existencia de materiales de construcción. El alcance de este primeracercamiento con la región dependerá de la importancia de la obra y de las característicasdel subsuelo. Algunas veces basta este reconocimiento para desechar o aceptar el sitiopreviamente elegido.

De los estudios preliminares debe resultar un informe en el que se indique la planeaciónde los estudios de detalle de la etapa siguiente.



114

ESTUDIOS DE DETALLE

Siempre precedidos por los estudios preliminares constituyen la etapa II designada―exploración e investigación detallada‖; sin embargo su uso no queda restringido a estaparte de la investigación de un sitio, resultando útiles también en la etapa de construcción

y operación de la obra. La finalidad de esta etapa es lograr una comprensión a fondo de lageología del sitio y sus alrededores.

La amplitud de sus trabajos de investigación de esta etapa depende de la extensión,importancia y tamaño de la obra por construir. Se debe concluir con un informe quedescriba las características geotécnicas del terreno o macizo rocoso y que puede serutilizado para fines de diseño.

Las actividades que se realizan durante un estudio detallado se describen a continuación:

Elaboración de un mapa geológico-geotécnico de la superficie del terreno en la zona deconstrucción de la obra, a escala adecuada (1:100 a 1:5000), auxiliado de unafotointerpretación detallada, con la finalidad de presentar toda la información que apareceen la parte correspondiente a levantamiento geotécnico.

Mapeo geotécnico del subsuelo, el cual se lleva a cabo con el auxilio de técnicas directase indirectas que permiten conocer la distribución de las unidades litológicas y suscaracterísticas geológicas e ingenieriles (isopacas, isopiezométricas. etc.).

Obtención de muestras del subsuelo para estudios de laboratorio, y/o realización depruebas ―in situ‖ para conocer las propiedades índice y mecánicas de los macizosrocosos.

La información obtenida de las actividades anteriores debe ser procesada e interpretadaadecuadamente para que sea de máxima utilidad en el diseño.

Existe una gran variedad de técnicas que pueden ser usadas para un estudio detalladocompleto, sin embargo la selección y la programación adecuada de ellas ayudará amantener los costos bajos y obtener la información adecuada. Sin embargo como ya sedijo, no deben escatimarse gastos de exploración pues la falta de información o su malacalidad pueden provocar un diseño inadecuado que ocasione fallas peligrosas, problemasconstructivos y económicos o bien un mal funcionamiento de la obra.

ESTUDIOS DURANTE Y DESPUES DE LA CONSTRUCCIÓN

En esta etapa III se llevan a cabo levantamientos geológicos adicionales así comoestudios de mecánica de suelos y de rocas si estos son necesarios. A veces estostrabajos son una confirmación de lo que se anticipó durante las investigaciones previas,aunque pueden aportar nuevos y valiosos datos que modifiquen el diseño o elprocedimiento constructivo. De esta forma las actividades que se desarrollan durante estaetapa incluyen:



115

Levantamientos geológicos y geotécnicos de las obras durante la excavación de túneles,trabajos de limpia que incluyen desmontes, remoción de escombro y descubrimiento de laroca sana, apertura de cortes y trincheras, explotación de bancos de material, etc. Debenrealizarse a medida que avanza la obra.

Mapeo geotécnico superficial y del subsuelo; elaborando planos y secciones geotécnicascon información completa y actualizada.

Muestreo para la realización de pruebas de laboratorio, así como pruebas ―in situ‖ enzonas de interés o con problemas.

Instrumentación directa. Esta información servirá para ajustar o modificar, en casonecesario, el diseño de las obras.

En ocasiones hay un traslape de las investigaciones de la etapa II con la III pues algunosestudios se ejecutan durante la construcción de la obra, ya que es más fácil obtenermuestras para pruebas de laboratorio cuando las áreas de desplante están abiertas y confácil acceso.

LITOLOGÍA

La litología comprende tanto el estudio de suelos como de rocas. Los primeros según ladefinición de Terzagui son aquellos agregados naturales de partículas minerales quepueden ser disgregados por agentes mecánicos tales como agitación en agua y lassegundas son los agregados naturales de partículas minerales unidas firmemente porfuerzas cohesivas permanentes. De esta manera es necesario determinar la o lasunidades litológicas presentes en el sitio donde se construirá la obra civil, indicando en elcaso de rocas: su mineralogía, características texturales, estructura, clasificación, gradode sanidad, propiedades ingenieriles, espesor, distribución y origen de las diferentesunidades.

SUELOS.- Origen, clasificación SUCS, espesor y sus propiedades ingenieriles(resistencia al corte, compresibilidad, porosidad, permeabilidad, etc.).

La clasificación de suelos y rocas se realiza primeramente en el campo, de maneramacroscópica, pero es necesario verificar esta clasificación en el laboratorio ya queexisten ciertos componentes que pueden observarse solo con microscopios y que puedenser importantes tanto en la clasificación de la roca como en su comportamiento durante la

construcción. Ejemplo: arenas cementadas con carbonates.

Los datos sobre permeabilidad se obtienen mediante pruebas u observacionesperfectamente de campo, efectuadas en suelos y rocas.

ESTRATIGRAFÍA

Es importante conocer además la estratigrafía. Según P. Termier la estratigrafía noscuenta la historia de la tierra, de tal manera que es a veces de la mayor importancia decir



116

el origen, espesor, distribución y posición en la secuencia, de las distintas unidadeslitológicas presentes. Cual ha sido la exclusión histórica del sitio.

Se debe mencionar el nombre de las unidades y formaciones existentes y se dará sudefinición para facilitar la comunicación entre geólogos y geotecnistas.

En ciertas ocasiones será necesario determinar el ambiente en el que se depositaronsuelos o rocas ya que de esto dependerán cambios litológicos o texturales que puedenser importantes en la etapa de exploración.

Muchas veces se divide a las unidades litológicas no en formaciones, sino en unidadesgeotécnicas esto es en base no solo a características litológicas, sino a propiedadesmecánicas, intemperismo, etc. Estas unidades son de carácter local.

GEOMORFOLOGÍA

La construcción de una obra de ingeniería civil requiere de un estudio previo del relieve dela región donde ésta se proyecta.

El caso de una obra pequeña, el estudio será elemental, en el caso de una obra degrandes dimensiones, como una presa, un túnel, una carretera, etc., el estudio será máscomplejo.

Precisamente la geomorfología tiene por objeto de estudio, al relieve terrestre,considerándolo en función de su génesis, de su morfología, de su edad y de la dinámicade los procesos actuales.

La orientación que se de a un estudio geomorfológico aplicado a la ingeniería depende devarios factores: el tipo de obra en proyecto, su posición tectónica regional, las estructurasgeológicas locales, la escala y calidad de las cartas topográficas y las fotografías aéreas ylos problemas que se consideren más importantes dentro de la obra.

Y es que además se sabe que existe una interrelación entre las firmas del relieve con otrotipo de accidentes, como pueden ser la presencia de fallas y fracturas que influyen en elmodelado de una región; por ejemplo: alineamiento de ríos o arroyos debido a laorientación de fallas o fracturas, escarpes producidos por fallas regionales, etc.

GEOLOGÍA ESTRUCTURAL

GEOLOGÍA ESTRUCTURAL Y DISCONTINUIDADES

Para una mejor comprensión del comportamiento de una obra civil en un sitiodeterminado, se necesita conocer las estructuras geológicas y discontinuidades de lasrocas y/o suelos donde quedará asentada la estructura como son: pliegues, fallas, juntaso diaclasas, fracturas, foliación, estratificación, discordancias.



117

A continuación se hará una descripción de estas estructuras y discontinuidades haciendoénfasis en las características que deben tomarse en cuenta para un estudio geotécnico.

PLIEGUES: Es importante reconocer los diferentes tipos de pliegues en el campo,describiendo su orientación, rumbo, dimensiones e intensidad. A veces los pliegues

pueden influir en la elección del sitio para el emplazamiento de la cortina de una presa, deun túnel o una carretera.

De entre los diferentes tipos de pliegues, los sinclinales tienen mucha importancia eningeniería, como consecuencia de su capacidad para acumular fluidos. Hay seriosproblemas de aguas subterráneas que pueden afectar la construcción y mantenimiento enservicio de túneles que cortan sinclinales en que existan estratos permeables. Si se ponede manifiesto un sinclinal de este tipo, antes del período de proyecto, podría variarse laelevación del túnel planeando con objeto de situarlo en estratos más secos.

FALLAS: Una falla es una estructura geológica donde existe rompimiento ydesplazamiento apreciable de las rocas de la corteza terrestre. Tienen gran importancia ytrascendencia y son susceptibles de ocasionar graves y lamentables problemas eningeniería civil pudiendo determinar la exclusión de un emplazamiento por razones deseguridad o condicionar la vialidad de proyecto por razones técnicas y/o económicas.

Estos accidentes tectónicos, o no, pueden ser de diferentes longitudes, pudiendo llegar amedir hasta centenas de kilómetros; dependiendo de la edad, y desde luego si son o noactivas, como se verá más adelante, las fallas pueden generar terremotos a los largo deellas, causando daño y destrucción de las estructuras construidas sobre ellas o en lavecindad, por la energía liberada. Estos fenómenos también pueden cambiar laspropiedades geotécnicas del terreno, disminuyendo la resistencia, modificando lascondiciones de permeabilidad; poniendo en contacto formaciones litológicas distintas yactivar en la mayoría de los casos la erosión diferencial. Una falla activa es aquella fallaque se ha movido en el pasado geológico reciente y que pueden moverse en el próximofuturo. Por pasado geológico reciente se entiende el Holoceno (últimos 10 000 años) y porpróximo futuro a la vida de la estructura. La AIZA propuso además el término de fallacapaz semejante al de falla activa definiéndola como aquella falla que ha presentadodeformación tectónica en los últimos 500 000 años o cualquier otra falla en relaciónestructural con la primera, o con macrosismicidad asociada.

Sin embargo, aunque no se presentan todos estos problemas sobre todas las fallas, es desumo interés para el desarrollo nacional, bienestar de la sociedad y futuros asentamientoshumanos, conocer los problemas que pudiera ocasionar la presencia de una falla conrelación a las obras civiles.

Por lo tanto, el geólogo además de identificar en el campo una falla, deberá precisar lassiguientes características que en ocasiones son difíciles o imposibles (a vecesmomentáneamente) de determinar. Entre estas características están:

-La orientación.

-La distribución.



118

-La longitud.

-La orientación y magnitud de salto neto y en ocasiones sus componentes dedesplazamiento.

-Su clasificación (decir si es normal, inversa o de transcurrencia).

-La edad (sobre todo si se trata de fallas recientes, que pueden ser activas.).

-Amplitud, presencia o no de relleno, tipo de pared (lisa, alabeada, rugosa, o con estrías orelices).

-La disposición y relación con otras estructuras.

-El estado mecánico, es decir si se trata de fallas tensionales, compresionales o de cizalla.

-La determinación de si es activa o inactiva.

FRACTURAS: Es un término general para cualquier rotura en roca, sea esto causa o node desplazamiento, debido a esfuerzos de tensión. Las fracturas tienen una aberturamayor que las fisuras. Son una manifestación de la intensidad y dirección de losmovimientos neotectónicos. Su estudio se realiza cuantificando sus orientaciones(mediante la roseta de fracturas) y desarrollo (densidad). En una zona de cizalla sepresentarán en mayores cantidades. También es necesario determinar o no relleno y quecaracterísticas presenta éste.

JUNTAS O DIACLASAS: Son fracturas en una roca, generalmente más o menosverticales o transversales a la estratificación, a lo largo de las cuales no ha ocurrido unmovimiento apreciable. La superficie de fracturamiento es usualmente plana y siempreocurren en grupos paralelos. Se estudian de la misma manera que las fracturas.

DISCORDANCIAS: Son accidentes estructurales que presentan ausencia decorrespondencia o conformidad entre rocas o capas de roca, plegadas o no, horizontales,inclinadas o verticales de modo que presentan diversas inclinaciones. Las discordanciasson evidencias de que han existido movimientos orogénicos o epirogénicos, períodos deerosión y posterior sedimentación, se trata de discontinuidades que pueden correspondera zonas de debilidad o permeabilidad y que por lo regular corresponden a cambiosnotables de litología.

ESTRATIFICACIÓN: Es la disposición de las capas o estratos de un terreno,representada por un plano o superficie de discontinuidad. Este plano o superficie dediscontinuidad puede ser abierto o solo ser definido por un cambio de coloración de laroca depositada.

FOLIACIÓN: (del latín foliun, hoja) son debidas al paralelismo de los minerales laminaresy según el grado de perfección de las superficies paralelas, se pueden dividir en:



119

Pizarroso (la más perfecta), esquitosa y estructura gnésica (la menos perfecta).

CONTACTO GEOLÓGICO.- Es el contacto de dos rocas que pueden ser o no del mismoorigen pero deben ser de diferente litología (mineralogía).

HIDROGEOLOGÍAEn la investigación geológica para fines de construcción de una obra civil o para finesgeotécnicos, el estudio de la hidrogeología tiene una finalidad distinta a la comúnmenteusada, pues en este caso no se trata de definir volumen de agua para el consumo oactividades humanas sino que por el contrario, en un estudio para los fines mencionados,es importante determinar la presencia e información del agua en las obras civiles por losmúltiples problemas de carácter operativo, a que da lugar ocasionando retrasos en tiempode ejecución e incrementos de presupuesto que pudieran no haber sido consideradosinicialmente.

En términos generales, las obras de ingeniería civil pueden ser clasificadas: en obrasconstruidas en la superficie del terreno y en obras subterráneas. En los dos casos a veceses necesario trabajar por debajo del nivel de aguas freáticas o en la zona de fluctuacionesdel mismo; en ocasiones también se construyen obras en presencia de agua deinfiltración, zona de aguas vadosas o en la zona de influencia de escurrimientossuperficiales.

Las obras en que es particularmente importante el conocimiento del flujo o escurrimientodel agua superficial son los puentes, presas y vías terrestres debido a los problemasdestructivos de que ésta les pueda ocasionar.

En el caso de estabilidad de taludes, cortes en vías terrestres, cimentaciones y obrassubterráneas, se necesitará la información relativa a la presencia y comportamiento delagua subterránea, porque puede provocar, entre otras cosas, fenómenos deGeodinámica, alteración y deformación de los materiales.

Sin duda la presencia de aguas subterráneas es uno de los factores que ocasionan seriosproblemas en una obra civil, sobre todo si es de acción permanente y se aporta un granvolumen de agua en función del tiempo.

La información necesaria para conocer el comportamiento del agua en la obra y susalrededores es:

-Manifestaciones de agua subterránea y superficial, las cuales se mantendrán enobservación periódica para conocer sus variaciones en cantidad y calidad, así como lasrelaciones que tienen entre sí.

-Geología de detalle, dando prioridad a la litología, estratigrafía y estructura para definirlos tipos de acuíferos existentes.

-Cuantificación y distribución de los parámetros de conductividad hidráulica,transmisibilidad y capacidad de almacenamiento de agua en las rocas.



120

-Definición de la geometría de los acuíferos.

-Relación cualitativa y cuantitativa del agua subterránea con otros elementos del ciclohidrológico.

-Observaciones de datos climatológicos históricos y recientes.

-Medidas directas en forma periódica de niveles de agua en pozos, obras o piezómetrosque se construyen para tal fin; estas medidas tienen el objeto de conocer la distribución depresiones de agua en diferentes partes de la obra y la distribución de la carga hidráulicapara la construcción de redes de flujo.

-Historia del conocimiento del comportamiento del agua en otras obras civiles y losproblemas que se han presentado.

Dentro del estudio geohídrico es necesario llevar a cabo exploraciones directas, realizarpruebas de permeabilidad (Lugeone y Lefranc), instalar piezómetros y construir pozosequipados para realizar las pruebas de hidráulica subterránea.

La información hidrogeológica se presenta en planos que muestran las características depermeabilidad de las unidades geológicas y la distribución de cargas hidráulicas en lazona de interés, así mismo en ocasiones es importante conocer la influencia climática ehidrológica, por lo que es necesario incluirlos en el plano geotécnico.

En términos generales los problemas que ocasionan la presencia de agua superficial ysubterránea dentro de las obras civiles son:

-Disminuye la estabilidad de taludes, paredes, muros y techo, incrementando las fuerzasque tienden a provocar el deslizamiento y desprendimiento de materiales.

-Disminuye la velocidad de avance y seguridad en el tuneleo.

-Dificulta la barrenación.

-Disminuye el efecto de las voladuras.

-Aumenta el intemperismo químico de la roca provocando un cambio en suscaracterísticas geomecánicas.

-Disminuye el efecto de soportes y anclajes.

-Dificulta e incluso imposibilita trabajar en algunas zonas de la obra, principalmente aprofundidad, sobre todo si se trata de agua termal.

-Produce oxidación y corrosión del equipo de trabajo.

-Aumenta la humedad de la roca aumentando su costo de transporte.



121

-Necesidad de desaguar y dónde desaguar.

-Incrementar los costos de excavación.

-Se requiere de inversión en equipo de extracción y contención de agua, que en generalaumenta conforme avanza la obra.

-Presencia de aguas incrustantes que deterioren los equipos de extracción (aguasselenitosas).

GEODINÁMICA EXTERNA

Es la actividad de los agentes modificadores del relieve que se desarrollan externamenteen la corteza terrestre. Estos agentes pueden ser agua, lluvia, viento, cambios en latemperatura, nieve y acción de la gravedad.

A continuación se presentan una serie de ejemplos donde se puede apreciar la influenciade los fenómenos de Geodinámica externa en la construcción de obras de ingeniería civil:

En obras de toma, túneles de desfogue y vertedores puede presentarse el fenómeno deerosión regresiva o remontante, por acción del choque del flujo de agua.

Al construir un bordo en un río. Se cambia el gradiente de corriente, por lo que es posibleque aguas arriba se incremente la actividad erosiva del mismo, con el fin de recuperar suequilibrio original.

En la construcción de un puerto la elevación de las corrientes puede provocar una mayoractividad erosiva en una parte del litoral y provocar asolvamiento en otra.

Uno de los fenómenos de Geodinámica externa que más se debe tomar en cuenta es elmovimiento en masa del terreno. Si este movimiento es rápido tenemos avalanchas ydeslizamientos, si es lento tenemos reptación o creep y solifluxión.

El estudio de este fenómeno debe incluir tanto los vestigios de su existencia en épocaspasadas como la posibilidad de su ocurrencia futura debida a la modificación del mediorealizada por el hombre.

GEODINÁMICA INTERNA

Es la actividad de los agentes modificadores del relieve que se originan en la superficieterrestre y bajo ella. Como ejemplos tenemos los fenómenos de vulcanismo, los sismos,los suelos expansivos y las rocas explosivas.

Es necesario señalar la existencia de rocas o materiales que puedan presentarfenómenos de expansión debido a su avidez de agua; como ejemplo de estas rocastenemos a las anhidritas y las rocas bentoníticas.



122

El fenómeno de rocas explosivas (popping rock) se produce cuando las rocas están o hanestado sometidas a una ―deformación elástica intensa debida posiblemente a lapermanencia de presiones horizontales, dejadas por fenómenos de plegamientostectónicos no disipados, o debida a otras causas no definidas aún‖. (Juárez Badillo II,1973).

MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

Los materiales de construcción que se usan en la ingeniería son los siguientes: Agregados, enrocamiento y arcillas, con determinación de calidad y volumen.

MODIFICACIONES DEL MEDIO NATURAL DEBIDAS A LA ACCIÓN DEL HOMBRE

La acción del hombre es un factor geológico que interesará para todo tipo de obra civilbajo dos aspectos:

-El primero en a constatación de las modificaciones aportadas al medio natural por laacción pasada del hombre y que muchas veces es difícil de diferenciar de los fenómenosnaturales en los que no tienen que ver la acción del hombre.

De este tipo se pueden pensar en fenómenos de inestabilidad realizadas por la acciónhumana (rellenos en carreteras, taludes constituidos de desechos de minas, cortes, etc.)derrumbares o asentamientos provocados por extracción de minerales o agua, variacióndel nivel freático debido al bombeo desmedido, etc.

-El segundo aspecto se aboca a la previsión de posibles modificaciones causadas por lapresencia o desarrollo de obras futuras, es decir, acción futura del hombre y el cual es unproblema más delicado y más difícil en su predicción a priori, debido a que dependerá delas medidas adoptadas y de las condiciones en donde se emplazará la misma.

Dentro de este aspecto se pueden pensar en situaciones como: asentamientos posiblesde las cimentaciones, mapeo de zonas de inestabilidad potencial, cambio en lascondiciones hidrológicas de la región (en el caso de los bordos, presas o pozos debombeo) y posibles zonas de disolución de materiales o contaminación de aguas.



123

CAPÍTULO 6

MAPAS GEOTÉCNICOS

ANTECEDENTES

No existe una estandarización de los mapas geotécnicos en cuanto a su nomenclatura,contenido, simbología y uso. En cada país se aplican diversas técnicas para suelaboración.

Dearman y Fookes (1974 y 1969), en Inglaterra, han impulsado la elaboración de (mapasgeológico ingenieríles y (mapas geotécnicos en donde se reúna la mayor cantidad deinformación geológica y geotécnica en un solo plano, de acuerdo con la etapa deinvestigación del sitio.

Sanejouvand (1972), en Francia, clasifica a los mapas según su contenido en mapas de

"Factores" (naturaleza de propiedades de las rocas, hidrogeología, geomorfología,Geodinámica externa e interna, materiales y las modificaciones al medio ambienteproducidas por el hombre) y mapas de amplitud (combinación de los diversos factores).En este trabajo enumera los problemas que deben resolverse en la representacióncartográfica con fines geotécnica.

La Sociedad Geológica de Londres ha realizado diversos trabajas para tratar deestandarizar cartografía geotécnia elaborando el documento citado en la referencia 1, quees una excelente guía para la elaboración de mapas geotécnicos.

En las siguientes líneas se tratarán los fundamentos básicos de un mapa geotécnico o

geológico ingenieril, remitiendo al lector a las referencias indicadas, se anexa un articuloDeerman y Fookes (1974) relativo al mapeo geológico ingenieril que se ha desarrollado enInglaterra.

Como puede observarse en la tabla 1, las escalas varían en función del tipo de obra y dela etapa misma para que se requiera.

Dichas escalas serán de preferencia grandes, es decir entre 1:200 y 1:10,000 yocasionalmente a escala menores 1:25,000 o 1:50,000 cuando el trabajo requiera unaexploración regional.

Un plano geotécnico puede contener una gran cantidad de información en un simplemapa, lo cual da una idea de la complejidad de su cartografía y del ancho de margen querequiere. Es necesario, así mismo, planear una lista de símbolos para los mapasgeotécnicos, como la que se muestra en la figura 2 y 3 esta última una compilación de lasociedad geológica de Londres que pretende ser la base de una estandarizacióninternacional para cartografía geotécnica (Attewall 1976).

Sin embargo, una alternativa para evitar un mapa geotécnico complejo, es elaborar unaserie de mapas específicos, otorgándose valores a diferentes parámetros de acuerdo conlas necesidades del proyecto y la complejidad del sitio. Tales mapas serían por ejemplo:



124

-mapas Tectónicos-mapas Hidrogeológicos-mapas geomorfológicos-mapas de Propiedades Mecánicas-mapas de Bancos de Material

-mapas GeofísicosMAPAS GEOLÓGICOS INGENIERILES O GEOTÉCNICOS

Los mapas geotécnicos son planos que contienen datos geológicos e información deutilidad práctica para un proyecto de ingeniería determinado. Esta información provendráde observaciones detalladas de campo como de laboratorio.

La mayoría de los mapas geológicos se realizan con propósitos generales y adolecen deinformación cuantitativa sobre las propiedades mecánicas de los suelos y rocas, lacantidad y tipo de discontinuidades, la extensión del interperísmo, condicionesgeohidrológicas, etc. que pueden ser de más utilidad para la construcción de obras deIngeniería Civil. En este tipo de mapas se agrupa en unidades geológicas, es decir enunidades con idéntica litología o de la misma edad. Aunque hay buenas razonesgeológicas para ello, una de las principales desventajas de estos mapas para su uso engeotécnia estriba en que rocas de diferentes propiedades ingenieríles pueden estaragrupadas, por ser de la misma litología o de la misma edad.

Es evidente que se obtiene una información valiosa sobre las propiedades y elcomportamiento de una roca cuando se indica su nombre geológico; sin embargo paraefectos ingenieríles el nombre geológico por si solo es suficiente y debe acompañarse deuna clasificación ingenieril.

Una solución es elaborar mapas geotécnicos cuyas unidades se definieran de acuerdocon sus propiedades ingenieríles, o a otras características determinadas por la finalidadespecífica del mapa (tomando en cuenta lo dicho anteriormente). En general, las fronterasde las unidades marcarán variaciones en esas propiedades y esas líneas podrían seguiraproximadamente los límites geológicos, aunque esto acarrea ciertos problemas, como elde los cambios graduales en algunas propiedades físicas de los suelos y rocas.

Un plano geotécnico debe contener, en forma general, información referente a:

-Topografía y Toponimia.-Litología, distribución y descripciones de las unidades litológicas.-Interperísmo, tipo extensión y grado.-Propiedades de suelos y rocas, resistencia, deformabilidad, permeabilidad, etc-Espesor de suelo.-Discontinuidades (datos estructurales: fallas, fracturas, rumbos y echados, plegamientos;características de ellas: diagramas estereográficos, etc.)-Hidrogeología (acuíferos, movimiento de agua, permeabilidad, características del agua,zonas de filtración, etc.).



127

SIMBOLOS ESTRATIGRÁFICOS

Q CUATERNARIO

T TERCIARIO

Tpl PLIACENO

Tm MIACENO

To OLIGOCENO

Te EOCENO

Tpal PALEOCENO

M MESOSOICO

K CRETÁCICO

J JURÁSICO

Tr TRIÁSICO

Pal PALEOZOICO

Pr PRECÁMBRICO

VOLCÁN.

COLADOS DE LAVA.

LUMBRERA VERTICAL.

MANANTIAL.

ENTRADA DE SOCAVÓN A TÚNEL.

SONDEO DE CUALQUIER TIPO.

LOCALIZACIÓN DE UN SONDEO.

LÍMITE DE ZONA INESTABLE.

LÍMITE DE ZONA DE DERRUMBES.

ANTIGUO CONO DE DEYECCIÓN.

SOLIFLUCCIÓN.

DESLIZAMIENTOS.

AVALANCHAS.

DESGAJAMIENTO.

MANANTIAL DE AGUAS TERMALES.

LUMBRERA INCLINADA.

CANTIDAD DE DISOLUCIÓN.

ZANJA O TRINCHERA.

BANCO DE MATERIALES.

DEPÓSITOS DE TALÚD.

TERRENO INUNDABLE.

TERRENO DE EROSIÓN.

TERRENO PERMEABLE.

ZONA DE ACUMULACIÓN DE MATERIAL.



128



129



130



131

Carta Geológica de México, información obtenida del INEGI.



132Vista carta Geológica México, información obtenida del INEGI.



134

CAPÍTULO 7

GEOFÍSICA APLICADA A LA INGENIERÍA CIVIL

GENERALIDADES

La interacción entre las actividades antropogénicas y el ámbito geológico ocasionacambios en las condiciones de equilibrio entre el agua-suelo-roca; eventualidadesgeológicas asociadas son: fallas de taludes, deslizamientos, desbordes, erosión,subsidencia, solapases, levantamientos, terremotos, etc.

En las diferentes técnicas de Prospección Geofísica no existe nada mágico ni misterioso,al contrarío, las bases resultan ser todos aquellos principios físicos bien conocidos; eléxito de su empleo dependerá de la adecuada aplicación de las técnicas disponibles.

Las dificultades que existen en el entendimiento de la geofísica son intrínsecas de la

misma complejidad de la naturaleza de la tierra, se ha experimentado que diferentescondiciones geológicas resultan en tantas posibles interpretaciones.

Existe una relación dependiente entre la exploración geofísica y geológica; lasinterpretaciones del subsuelo de solo una de ellas carece de validez, por ello siempredeben ir acompañadas.

La finalidad primordial de la prospección geofísica es el detectar zonas anómalasasociadas a eventualidades geológicas tales como:

Fallas

FracturasCavernasContactos verticales

Por ocurrencia natural, las eventualidades geológicas son escasas y por tanto en lamayoría de las prospecciones la geofísica arrojara resultados positivos como ocurre enlas exploraciones geológicas, mecánica de suelos y rocas.

El éxito de una prospección geofísica no puede ser valuado en función del número deanomalías descubiertas, sino por los ahorros en esfuerzo, dinero, tiempo y confiabilidad.

CATEGORÍAS DE LOS MÉTODOS DE PROSPECCIÓNExisten dos categorías principales en los métodos de prospección:

MÉTODOS DIRECTOS. Una muestra es examinada de manera directa a través de sucorte, fractura, minerales de relleno, textura características químicas, color, etc. Losmétodos directos están encabezados por la geología y le sigue la perforación.



135

MÉTODOS INDIRECTOS. Mediante la medición de diferentes propiedades físicas delsubsuelo, son inferidas las condiciones estructurales, mecánicas y físico-químicas de losestratos que componen el subsuelo.

Los métodos indirectos fundamentales son las técnicas geofísicas de superficie y agujero

(registros geofísicos de pozos).SELECCIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS GEOFÍSICOS

La selección de los métodos apropiados para su aplicación en proyecto específico estábasado en los objetivos y fase, medida del área a estudiar, tipo de proyecto y elementosde diseño condiciones geológicas, topografía, accesibilidad tiempo y fondos.

La Prospección Geofísica se puede dividir en PURA y APLICADA, la primera estudia lafísica de la tierra sólida; a la segunda compete aplicar los principios físicos en lainvestigación de yacimientos económicamente explotables, geotécnica, geoquímica,geohidrología y contaminación. Las diferentes técnicas geofísicas nacieron de lasvariadas propiedades físicas y fisicoquímicas de la interacción entre la materia sólida ylíquida.

Los métodos de prospección geofísica pueden ser clasificados en tres grupos principales:

MÉTODOS ESTÁTICOS. Los campos naturales o artificiales no varían con el tiempo, porlo que una anomalía se percibe como la distorsión que produce una eventualidadgeológica o antrópica en cualquiera de los campos magnético, gravífico u eléctrico.

MÉTODOS DINÁMICOS. Los campos físicos en los que son realizadas las mediciones noson estacionarios, ya que varían con el tiempo. Los campos asociados son elelectromagnético y sísmico, los cuales pueden ser naturales o artificiales.

MÉTODOS DE RELAXACION. Son campos electromagnéticos intermedios entreestáticos y dinámicos artificiales. Los métodos principales son la polarización inducida,polarización inducida espectral y polarización inducida magnética.

En los métodos que utilizan como fuente de excitación campos artificiales la profundidadde exploración está gobernada por el contraste de las propiedades físicas y geometríaentre fuente y detector. En aquellos cuya fuente es natural, la profundidad solo dependedel contraste entre la propiedad física envuelta.

Cuando existe una carencia marcada en el contraste de las propiedades, sus efectospueden ser medidos en superficie por el enmascaramiento de ruido y el método geofísicono puede ser aplicado.En la naturaleza, la materia y energía están reguladas por la "superfuerza", dividida encuatro fuerzas básicas:

a) GRAVEDAD b) ELECTROMAGNETISMO c) DÉBIL d) FUERTE



136

La Gravedad es un campo de fuerza reconocido por Newton, solo son sentidos susefectos y se explica mediante la ley de atracción universal de masas; elelectromagnetismo son los campos eléctrico y magnético, consistió en la primera teoríaunificada de campo (TUC) elaborada por Maxwell, se ha manifestado desde tiemposinmemoriales a través de la auroras boreales y la tierra vista como un gigantesco imán; la

Débil es la radioactividad descubierta por Becquerel; la Fuerte nació para explicar el "algo"que sujeta dentro del núcleo a los protones cuando éstos repelidos por ellos mismosdebido a su carga eléctrica. La tabla 2.1 muestra los principales métodos geofísicos entérminos de sus aplicaciones y limitaciones:

MÉTODO APLICACIÓN LIMITACIÓN

TÉRMICO contaminación, mapeo de fallas activas susceptible a cambios en la radiación solar

RADIOACTIVO contaminación, estudio de lixiviados, dispersión decontaminantes

representa valores promedio

MAGNÉTICO contaminación, mapeo de masas ígneas, localizaciónde fallas y contactos verticales

el área debe estar libre de estructuras de acero y líneas de altatensión

ELECTROMAGNÉTICO contaminación, localización de cavidades, flujo decontaminantes, percolaciones, intrusiones salinas

GRAVIMÉTRICO localización de fallas, lentes de arcilla, cavidades,rofundidad a la roca dura

POTENCIAL NATURAL Contaminación. agresividad de suelos, acidez, percolaciones

ELÉCTRICO localización de agua salada, mediciones de percolación de salmueras, valuación de bancos dematerial, profundidad a la roca dura, fallas, cavernas,fracturas

solo provee de manera cualitativa las propiedades mecánicasde una roca

SÍSMICO DE REFRACCIÓN obtención de las velocidades características yespesores en tierra y agua de diferentes estratos,fallas, fracturas, módulos de deformación "in situ",valuación de Vs

las velocidades son promedios zona ciega o fantasma

SÍSMICO DE REFLEXIÓN continuidad de capas, fallas, cavidades no provee de velocidades, UPHOLE, DOWNHOLE,CROSSHOLE

valuación de las velocidades para un estrato en particular, calidad de macizos rocosos, valuación demódulos de deformación "in situ"

las velocidades son promedio, las variaciones del campo dedensidades afecta las mediciones

RADAR provee de un perfilaje continuo del subsuelo,localización de objetos sepultados, caracterizaciónde estructuras

penetración somera, no provee de propiedades ingenieríles delas rocas o suelo, no aplicable en medio conductor

REGISTROS DE POZO CÁMARAS Y REGISTRO

3D VELOCIDADES

Imagen continua de la roca en el pozo, análisis decavernas, fallas, fracturas, orientación de familias defracturas. penetración y visualización más allá delagujero de fracturas, fallas y cavernas, valuacióncontinua de las propiedades elásticas dinámicas dolos materiales, medida continua de la densidad

imagen afectada por la calidad del agua,imágenes pobres ocasionalmente

Tabla 2.1

LOS MÉTODOS GEOFÍSICOS Y SUS APLICACIONES EN GEOTÉCNIA

Los métodos geofísicos clave aplicados en geotécnia son el: Potencial Natural, Eléctrico,Sísmico y Registros Geofísicos, en menor proporción el gravimétrico, magnetométrico,radiométrico y electromagnético.



137

A continuación son presentados los principios físicos, fenomenología y algunos ejemplosde aplicación de cada método.

PROSPECCIÓN SÍSMICA

Cuando un terremoto o golpe perturba el interior o superficie de la tierra, el disturbio estransmitido punto a punto del medio continuo por medio de las ondas elásticas. Las ondaselásticas dependen de las constantes elásticas del medio de propagación.

La elasticidad de un cuerpo es la medida de aquella parte de deformación que provoco eldisturbio que desaparece al ser suprimido el esfuerzo.

Para deformaciones pequeñas y proporcionales al esfuerzo son estudiadas mediante laLey de Hooke y las constantes elásticas del material son definidas mediante los móduloselásticos.

Cuatro son los módulos elásticos en el estudio de materiales (figura 3.1):

RELACIÓN DE POISSON (μ). Relación entre el cambio unitario de área de la seccióntransversal y la deformación longitudinal unitaria.

MODULO DE YOUNG (E). Es la relación entre esfuerzo unitario y la deformaciónlongitudinal unitaria.

MODULO DE RIGIDEZ (G). Es la relación entre el esfuerzo transversal unitario ydesplazamiento relativo de los planos de deslizamiento.

MODULO DE BULK (K). Es la relación entre la presión (hidrostática) y el cambio devolumen unitario.

La valuación de los módulos elásticos en laboratorio es con volúmenes muy pequeños dematerial y en condiciones estáticas que de ninguna manera representan al material deinterés para que el ingeniero haga sus diseños asísmicos.

Para medir los módulos elásticos "in situ" son cuantificadas los valores de propagación deondas elásticas Vp (longitudinal o compresión) y Vs (cizalla o corte).

Dado que las velocidades de propagación de las ondas sísmicas están relacionadas conpropiedades elásticas del medio de propagación; entonces la Relación de Poisson puedeser valuada como:

H = {[Vp/Vs] **2-2} / {2[Vp/Vsr] **2-2}

Mientras que las constantes de Lamé (λ, μ) y la densidad del material p están relacionada'las velocidades de propagación por:

Vp = {[λ + 2μ]/2} **1/2 y Vs = [μ/p] **1/2



139

0

50

100

150

200

Refracted ray path

Fig. 3.2 Propagación de los frentes de ondas elásticas

Figura 3.5 disposición de Geófonos y Sismogramas de ondas Vp y Vs alameda central, ciudad de México.

Las ondas superficiales son en extremo mucho más lentas y de forma compleja que lasondas de cuerpo. Su tiempo de propagación es 20% menor a las Vs, son de bajafrecuencia, existen dos tipos: las Rayleigh y las Love.

LAS VELOCIDADES DE PROPAGACIÓN EN ALGUNOS MATERIALES

La velocidad de propagación en los diferentes tipos de roca varía de acuerdo a:

Grado de acidez de la rocaSilicificaciónGrado de saturación de cualquier fluidoConsolidaciónCantidad de agua retenida en los poros



140

Fracturación AlteraciónDensidadVejez

La tabla 3.1 presenta los rangos más usuales de variación de la propagación de las ondaselásticas en materiales de la corteza terrestre.

PRACTICA DEL MÉTODO DE REFRACCIÓN SÍSMICA

La figura 3.3 muestra los frentes de onda viajando a través de la tierra a un censor(geófono) desde la fuente (punto golpe de martillo), el frente de onda alcanza el geófonodespués de un tiempo (t) que depende de la distancia (d) al martillo y de las velocidadescaracterísticas, propias del medio. Los ambos de las ondas producen vibraciones en elgeófono que son amplificadas por el sismógrafo y visualizadas en la pantalla del mismo.La figura 3.4 muestra el registro de una vibración del terreno.

Una vez seleccionado el sitio para la práctica del sondeo geosísmico, se fijan losintervalos de medida, registrando el tiempo de arribo desde cada punto golpe de martillo,se forman las gráficas tiempo-distancia, conocidas como Curvas Domocrónicas en las queel inverso de la pendiente de cada recta (1/m*1000) es la velocidad característica de eseestrato. El cálculo de la Profundidad está dado por las ecuaciones que aparecen enTechnical memo no. 101 de BISON INSTRUMENTS.

El éxito de la aplicación del método de refracción sísmica depende de la calidad de lasondas generadas. Las ondas Vp y Vs son las más socorridas en los estudios deingeniería, las ondas Vp son producidas mediante explosivos, pistola, fuente martillosemihidráulico, peso dejando caer y comúnmente con un martillo.

Las ondas Vs son las más difíciles de producir, son para diagnósticos en ingeniería de losesfuerzos de corte para la construcción de bordos, presas, túneles, estabilidad de masasrocosas, construcción de plantas nucleares, edificios.

La dificultad es la selección de la onda de corte en medio de una complicada señal quecontiene las provenientes de todas direcciones, refracciones, reflexiones, ondas R y L.

Existen cuatro maneras de medir Vs, ellas son: crosshole, downhole, uphole y refracción,ésta última es la más común mediante un geófono de componente horizontal, tablón demadera, contrapeso y como fuente un martillo deslizante.



141

EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE LA PROSPECCIÓN SISMOLÓGICA

DETERMINACIÓN DE VELOCIDADES DE PROPAGACIÓN EN LA ALAMEDACENTRAL, CIUDAD DE MÉXICO.

El Instituto de Ingeniería de la UNAM realizó los trabajos necesarios de sismología derefracción y de perfil de velocidades en pozo para evaluar las propiedades elásticas delsubsuelo en la Alameda Central.

Los sismogramas de la figura 3.4 muestran las ondículas debidas a las ondas P y S, asícomo sus respectivos tiempos de ambo.

Para los perfiles de velocidad fueron realizadas un total de 11 explosiones comenzando a58.5 m de profundidad y la última a 1 m, los intervalos fueron a cada 6 m. La figura 3.5muestra la disposición de los geófonos y los sismogramas para los sondeos derefracción.Las velocidades longitudinales medidas concuerdan perfectamente, la tabla 3.2muestra las magnitudes de las ondas Vp y Vs.

VELOCIDADES DE LAS ONDAS EL STICAS MEDIDAS EN EL SUBSUELO DELA ALAMEDA CENTRAL CIUDAD DE MÉXICO.

CAPA INTERVALO Vp Vs

no. de a(m) m/s m/s

1 0 11 200 14

2 11 30 1080 80

3 30 60 1650 210

Tabla 3.2



142

0

500

1000

1500

2000

Superficie del terreno

1700 m/seg

REFRACTOR "A"

2900 m/seg

4500 m/seg

R E F R A C T O R " B "

1700 m/seg

2900 m/seg

4500 m/seg

2600 m/seg

?

?

292 m

LINEA BASE

600 m/seg capa de 30 m de espesor

CERROCHIMALHUAC

VÉRTICE GEODÉ

Superficie del terreno

=1

=1600 m/seg CHAPINGO

1550 m/seg1800 m/seg

REFRACTOR "A"

REFRACTOR "B"

1800 m/seg

2900 m/seg

4500 m/seg

2900 m/seg

4500 m/seg

?

500

1000

1500

2000

0

2000

1500

1000

500

0

REFRACTOR "A"

REFRACTOR "B"

?

4600 m/seg

3100 m/seg



1900 m/seg


2000 m/seg

4300 m/seg

=1

LINEA 4

1000

500

0

2200 m

1500 m/seg

P R O F U N D I D A D E N M E T R O S



PEÑON

P R O F .

E N M .

Fig. 3.7 Refractores a y b, sismología de refracción profunda, cuenca de Texcoco.



144

TRABAJOS SISMOLÓGICOS EN LA LÍNEA FERREA DEL SUR, SUBTRAMOTECALCO-CUAUTLA, MOR.

La Secretaría de Comunicaciones y Transportes realizó los trabajos de sismología derefracción para evaluar las velocidades y espesores de los distintos materiales en el tramo

antes mencionado, el objeto principal fue establecer el método y equipo más convenientepara efectuar los cortes. Las figuras 3.8, 3.9 y 3.10 muestran la localización, una secciónsismológica y la tabla de ripiabilidad en función de las velocidades Vp respectivamente.

INTERVALO 103+140-103+573

200 300 400 500CADENAMIENTO

E L E V A C I Ó N E N M . S . N . M .

FERROCARRIL

RASANTE

PERFIL

TOPOGRÁFICO

CARRET

1690 00

1676 00 V =900 M/S

V =1200 M/S

V =900 M/S

V =1200 M/S

V =1200 M/S

V =1200 M/S V =1200 M/S

V =1200 M/S

V =1200 M/SV =1200 M/S

V =1250 M/S

V =1400 M/S

1665 00

103+140

Figura 3.8 y 3.9 Ubicación y sección sismológica con los valores de velocidad para cada estrato.



145

SISMOLOGÍA DE REFRACCIÓN PARA EVALUAR LOS MÓDULOS ELÁSTICOSDINÁMICOS DE LAS CAPAS SOMERAS EN UN CONJUNTO COMERCIAL, QRO.

En un terreno con superficie aproximada de 7200 m2 se decidió utilizar los métodosindirectos para conocer la disposición de los estratos en el subsuelo y evaluar los módulos

elásticos dinámicos de los estratos someros que serian utilizados para el cálculoestructural en le interacción estructura-suelo.

La figura 3.11 muestra la distribución de las Unidades Geológicas en la zona,diferenciando tres, Basalto Mencnaca (Tibm), Toba Mompaní (Tstm) y Suelos Residuales(Qsr). En la tabla 3.3 son presentados los valores de los módulos elásticos para lasprincipales Unidades Geológicas.

Fig. 3.11 Unidades Geológicas en la porción oriente del valle de Querétaro.

UNIDADGEOLÓGICA

RELACIÓNDE POISSON

MODULO

YOUNG RIGIDEZ BULK

kg/cm2 kg/cm2 kg/cm2

TOBAMOMPANI

0.27 8388 3303 6079

BASALTOMENCHACA

0.19 46981 19740 25258



146

SISMOLOGÍA DE REFRACCIÓN EN LA CORTINA BORDO REGULADOR " ELREFUGIO ", QRO.

Con objeto de controlar las inundaciones de los asentamientos humanos en la cuenca del Arroyo Pedro de Mendoza la Dirección de Infraestructura Hidráulica mediante la

Secretaria de Desarrollo Agropecuario construyó el Bordo Regulador El Refugio. Porseguridad fueron realizados los levantamientos geológicos y geofísicos que aportaron elconocimiento estructural de las Unidades Geológicas y su comportamiento elástico.

La geología estructural y su sección de la figura 3.12 muestra la presencia de fallasnormales y de transcurrencia que han ocasionado una microfosa denominada Menchacala cual está desplazada horizontalmente poniendo en contacto rocas de tiemposgeológicos diferentes. La tabla 3.4 exhibe los valores mecánicos de las UnidadesGeológicas existentes.

CORTINA SECCIÓN GEOLÓGICA

0+000 0+050 0+100 0+150

1960

1940

1920

1900

COLUMNA GEOLÓGICA

CUATERNARIODEPOSITOSFLUVIALES

SUELOSRESIDUALESEL SALITRE

BASALTOCIMATARIO

BASALTOMENCHACA

Q lf

Q res

TQbc

Tbm

msnm

0+160

Figuras 3.12 Geología estructural y sección geológica, bordo regulador el refugio.

UNIDADGEOLÓGICA

RELACIÓNPOISSON

MODULO

YOUNG RIGIDEZ BULK

kg/cm2 kg/cm2 kg/cm2

DEPÓSITOS

FLUVIALES

0.28 14130 5435 11775

BASALTOCIMATARIO

0.19 102016 42864 54847

BASALTOMENCHACA

0.32 78045 206039 190777



147

SISMOLOGÍA DE REFLEXIÓN SOMERA EN EL POZO BRINCO 3, POZA RICA, VER.

Para caracterizar los horizontes reflectores asociados a los diferentes estratos y queprovean de información adicional a los levantamientos gravimétricos, fueron realizados lossondeos sísmicos de reflexión en la vecindad del Pozo Brinco 3. Con los datos de

sismología perfectamente calibrados con las Formaciones Geológicas cortadas en el pozose logró determinar las características estructurales en el subsuelo, diferenciando unanticlinal recumbente fallado, estructura típica de la Provincia Fisiográfica de Cuencas ySierras (Sierra Madre oriental). La figura 3.13 muestra el perfil de velocidades, el cualdetalla los diferentes cuerpos contenidos en una misma Formación Geológica. La figura3.14 enseria la sección geológica estructural interpretada y los sismogramas de reflexiónpropios.

27500

300001 02

325003

350004

375005

400006

425007

450008

475009

500010

3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

P R O F U N D I D A D E N M E T R O S R E F E R I D A A L N I V E L D E L M A R

TIEMPO VERTICAL VELOCIDAD MEDIA

VELOCIDAD DE INTERVALO

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

3000

POZO BRINCO No.3ZONA POZA RICA DEPARTAMENTO DE GEOFÍSICA

TIEMPO VERTICAL

VELOCIDAD MEDIA(M/S)VELOCIDAD DE INTERVALO(SE

Figura 3.13 Perfil de velocidades y corte litológico del pozo brinco 3, poza rica, ver.



148



149

MÉTODOS ELÉCTRICOS

La resistencia eléctrica R está definida por la Ley de Ohm en la expresión:

R= V / I... (1)

Dónde V es la diferencia de potencial V1-V2 en los bornes del circuito, I la comente quecirculan en el circuito. Los materiales presentan resistencias eléctricas características deacuerdo a su constitución, esto es que la resistividad está relacionada a la resistenciacomo símil a ella con objeto de entendería se considera la muestra de un materialcualquiera de forma geométrica definida según la figura 3.15. Si se aplica una diferenciade potencial V, causará un flujo de comente, cuya resistencia eléctrica es proporcional a lalongitud de la muestra, inversamente proporcional a la sección transversal y dependefundamentalmente de su resistividad característica ρ quedando finalmente expresadocomo:

R= ρ (L/A),

A ρ se le conoce como resistividad eléctrica característica, se hace notar que es unapropiedad de Bulk o volumen y es análoga a la densidad.

RESISTIVIDADES DE ALGUNAS FORMACIONES GEOLÓGICAS

La Tabla 3.5 muestra los márgenes usuales de variación de las aguas y otros tipos dematerial que conforman el subsuelo.

Tabla 3.5 Rangos usuales de variación de diferentes tipos de agua y rocas según Telford, et al, 1975

TIPO DE AGUA RESISTIVIDAD (ohms-metro)METEORICA DE PRECIPITACIÓN 30-1000

SUPERFICIAL EN DISTRITOS DE ROCASIGNEAS

30-500

SUPERFICIAL EN DISTRITOS DE ROCASSEDIMENTARIAS

10-100

SUBTERRANEA EN DISTRITOS DE ROCASIGNEAS

30-150

SUBTERRANEA EN DISTRITOS DE ROCASSEDIMENTARIAS

>1

MAR 0.2POTABLE (0.25% MAXIMO DE STD) >1.8

IRRIGACIÓN Y ALMACENAJE (0.7 MÁXIMODE STD)

>0.7

Cabe observar que los valores antes señalados pueden variar desde unos cuantos ohmshasta cientos por arriba o debajo dependiendo de la alteración, fracturación, saturación,iones en solución, temperatura, sales, porosidad, compacidad, etc.



150

ECUACIONES BÁSICAS

Considerando dos fuentes denominadas A, B y deduciendo los potenciales respecto a lospuntos conocidos como M, N según se muestra en el cuadripolo de la figura 3.16; elpotencial queda expresado como:

V(M,N) = ρa[1/AM - 1/AN -1/BN +1/BN]

Los términos entre paréntesis definen el factor geométrico "FG" y depende del arregloelectródico empleado, ρa es la resistividad aparente.

L

A

I

VR=5 R=2

R=1

R=0.5

R=0.2

I

Fig. 3.15 Muestra de un material de forma geométrica definida

A

M N

R

Figura 3.16 Cuadripolo para las medidas de resistividad aparente ρa

En la técnica del (SONDEO ELÉCTRICO VERTICAL) el campo es función directa delvalor de resistividad y función inversa del FG. Para un medio estratificado la profundidadde exploración depende primordialmente del contraste de resistividades, espaciamientoelectródico y sensibilidad del aparato receptor.



151

PRACTICA DEL MÉTODO ELÉCTRICO

Existen dos tipos básicos de procedimiento de campo, que se escogen de acuerdo a losobjetivos de la exploración, estos son:

A. SONDEO DE RESISTIVIDAD O PERFORACIÓN ELÉCTRICA. El centro del arreglopermanece fijo y el intervalo del espaciamiento es cambiado,'la profundidad deexploración se incrementa conforme crece la distancia entre los electrodos de comente A,B. En el sondeo se determina como varía la resistividad a profundidad.

B. PERFIL O CALICATA ELÉCTRICA. El centro del arreglo se cambia, las distanciasentre electrodos permanecen fijas.: La profundidad de exploración permanece constanteconociendo la variación horizontal de la resistividad.

ARREGLOS ELECTRODICOS (Figura 3.17)

Durante un sondeo se trata de medir la resistividad aparente de las distintas capas comouna función de la profundidad. Para la práctica del sondeo eléctrico se emplean dosarreglos básicos, el Schiumberger y el Wenner. Ambos arreglos consisten de cuatroelectrodos colineales y simétricos respecto a un centro "O". Los electrodos de comente oemisión se denominan A y B, los de potencial o recepción M y N.

En el arreglo Schiumberger se debe de cumplir la relación AB>5MN. La expresión para elcálculo de la resistividad aparente está dada por:

ρa = [ V/1 ] πa((L/a)**2 - 0.25)

En que ρa es la resistividad aparente (ohms-metro), V la diferencia de potencial medidoen M,N , I es la corriente eléctrica a través de A,B, L: distancia media entre AB, a distanciaentre MN y π=3.14159.......

En el arreglo Wenner la distancia entre los electrodos debe ser igual, se debe cumplir larelación AB/3, y corresponde, a la profundidad teórica explorada. Al tener que cumplir larelación de AB/3 se obliga a mover los electrodos de potencial al variar los de comente.

La expresión para el cálculo de la resistividad para el arreglo Wenner es:

ρa = [ V/1 ]2πa dónde a es equivalente a AB/3.

El arreglo dipolo-dipolo consta de cuatro electrodos alineados agrupados en los dipolos depotencial y corriente con una distancia elecfródica x y separados submúltiplos de n vecesx. La profundidad de exploración se regula por "n" y a esta posición se asocian los valoresde resistividad. La expresión para el cálculo de la resistividad empleando el arreglo dipolo-dipolo es: pa = [V/1] 7cn(n + 1) (n + 2). El arreglo dipolo-dipolo sirve para el perfilaje ocalicateo.



153

A BM N

WENNERNM MOVILES

x nx nx nx nx

A B M N

n=1

n=2

n=3

DIPOLO-DIPOLO

ANM

B

/2 /2

A2L

A B

GRADIENTE O SCHLUMBERGER MODIFICADO



154

RESISTIVIDAD APARENTE

1 . 5

2 3 4 5 6 1 0

8 2 1 . 5

4 3 8 1 0 0

6 5 2 1 . 5

8 3 4 6 5 1 0 0 0

1

0 0

1 . 5

2

1 0 0 0

3

4

5

7

CENIZAS,ARCILLAS,ARENAS

GRAVAS,IGNIMBRITAS

IGNIMBRITAS

TOBASHIBRIDAS,IGNIMBRITASY TOBAS

m

Figuras 3.17 y 3.18 Arreglos electroditos y curva de resistividad aparente



155

EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE LA EXPLORACIÓN ELÉCTRICA PROSPECCIÓNGEOHIDROLÓGICA EN LOS VALLES DE COQUIMATLAN-TECOMAN, COLIMA.

Son presentadas las interpretaciones cualitativas referentes a mapas de curvas tipo y deisorresistividad a profundidades teóricas de exploración de 100 y 464 m. en los cuales se

puede asumir como un mapeo de las extensiones y profundización de las capas. Figura3.19.

ISORRESISTIVIDADES A UNA ISORRESISTIVIDADES A UNAPROFUNDIDAD DE AB/2= 464M PROFUNDIDAD DE AB/2= 1000M

Figura 3.19 Geología, mapas de curvas tipo e isorresistividad aparente.



156

PERFILAJE O CALICATEO EN LABORATORIO PARA CONOCER LA RESPUESTA DEESTRUCTURAS GEOLÓGICAS DE INTERES, FALLA DE TENSIÓN.

Por cortesía de MCPHAR GEOPHYSYCS,LTD son presentadas las anomalías eléctricasobtenidas sobre una estructura similar a la de una falla de tensión (compactación del

acuífero), obtenidas en laboratorio. Figura 3.20

Figura 3.21 Perfiles de Isorresistividades, polarización y factor geométrico.



157

PERFILAJE SOBRE FALLAS DE TENSIÓN EN LA CIUDAD DE CELAYA, GTO.

En la Ciudad de Celaya, Gto., fueron realizadas varias secciones de resistividad con elarreglo dipolo-dipolo con objeto de localizar una falla de tensión producto del fenómeno"compactación del acuífero‖. En las fotografías aledañas se observa la verificación de las

fallas en trincheras excavadas. Figura 3.22.

Figura 3.22 Perfiles de resistividad aparente sobre una falla a tensión.



158

SECCIONES ELÉCTRICAS EN EL TALUD DE UNA FALLA DONDE SE PROYECTA LACONSTRUCCIÓN DE UNA ESCUELA, MICROFOSA MENCHACA, QUERETARO.

En el talud de la falla S de la Microfosa Menchaca, Qro., fueron realizados sondeoseléctricos con objeto de conocer la disposición de los estratos, encontrando la presencia

de fallas normales orientadas E-W que ponen en peligro cualquier tipo de construcciónproyectada. Figura 3.23.

1840

1830

1820

1810

1800

1790

1 2

3

33

2

2

SEV4

SEV5

SEV6

E L E V A C I Ó N T

O P O G R Á F I C A

1721

18

85

17

19

SECCIÓN ELÉCTRICA C

E L E V A C I Ó N T O P O G R Á F I C A

1790

1800

1810

1820

1830

1840 SECCIÓN ELÉCTRICA D

3

3

3

2

2

2

1

818

16

84

25

SEV1

SEV2

SEV3

24

55

44

46

40

45

46

180

1 depósito de talud. 2 Basalto Menchaca. Tobas Mompani

Figura 3.23 Secciones Geoeléctricas C y D; talud S de la MicrofosaMenchaca, Qro.



159

PROSPECCIÓN GEOFÍSICA EN LA LOCALIZACION DE SITIOS FAVORABLES PARALA PERFORACIÓN DE POZOS DE AGUA, ZONA INDUSTRIAL, QRO. Y ABASÓLO,GTO.

Con los sondeos eléctricos verticales son exploradas grandes profundidades y cubriendo

extensas zonas en la localización de sitios ideales para la perforación de pozos de agua.Las características geohidrológicas de los materiales son diferenciadas analizando enbase a su resistividad y polarización las posibilidades de almacenar agua.

SEV 2 LOSLEONES

POZO SANTELMO

3

1

1+000

0+500

000

050

100

200

26

km

25

1+500

5

133

13

32

NE

3

24

10

4

5

7

5

4

5

1454

SEV 1 LALUZ

5

300

SEV 6 POZOLA PURGINA

2

3

NE

24

SEV 3

3SEV 4

PEMEXPREDIO

SEV 5 POZO26

2

3

NE

Figura 8. Bloque diagramático según la integración geofísica.



160

UBICACIÓN PRELIMINAR DE UN BANCO DE MATERIAL RINCÓN DE PARANGUEO,VALLE DE SANTIAGO, GTO.

La Provincia Fisiográfica de la Faja Volcánica Transmexicana se caracteriza por presentarun sin número de volcanes que han sido explotados como bancos de material desde la

Colonia. Los volcanes presentan diferentes formas y por tanto materiales, de ahí lanecesidad de conocer la forma estructural de la deposición para su ataque y cuantificacióndel volumen de material. Figura 3.26.

00

05

10

15

20

25

30

35

M E T R O S

1

2

3

4

2

2

4

1 2

3 4

1987

499

Qal379

73Ttsj

Ttsj

7546

139 219Qts

6902046 Qts 1583

1530

Qts249670

205

arena y depósito de talud

aluvión tobas lacustres sin interés ingenieril

paquetes de arena negra

Figura 3.26 Sección Geoeléctrica y deposición de los materiales económicamente explotables para el banco de material de rincón deParangueo, Valle de Santiago, Gto.

POTENCIAL NATURAL (SP)

El método de potencial natural o polarización espontánea usa el campo eléctrico naturaldebido a fenómenos electroquímicos que suceden en el subsuelo asociados a procesosde intercambio de carga que se dan cita en las regiones interfaciales entre fases líquidas ysólidas. La fase sólida corresponde a partículas minerales (metálicas o no metálicas) y lalíquida a una disolución o electrólito.

En la figura 3.27 se visualiza el mecanismo que regula el potencial natural, se aprecian lazonc de oxidación y reducción. El cuerpo anómalo se comporta como una pila eléctrica algenerar una baja intensidad de comente debido a la donación y adsorción de electronesen el medio Estos fenómenos producen los potenciales de Fondo y Mineralización.



161

CATODO

ANODO e

SUPERFICIE DEL TERRENO

O PENETRANDO

Fe(OH) +e Fe(OH) +OH3

2

2H+

FERROSO Fe++

Fe(OH)3

O2

DISUELTO

OH

2e +2H +O H O+

2 2 2

OH

Fe++

O x i d o

p o r e l O 2

++Fe

+

+H

F e ( O H )

r e d u c i d o a F e ( O H )

3

2

Figura 3.27 Mecanismo del potencial natural en zonas alteradas.

EQUIPO BÁSICO

El equipo necesario para los levantamientos de potencial natural consiste de unpotenciómetro con alta impedancia de entrada, cables, electrodos impolarizables talescomo tazas de porcelana y sulfato de cobre.

PROCEDIMIENTOS DE CAMPO

Dos métodos son los clásicos, el potencial y el de gradiente. El de Potenciales consiste enevaluar directamente la diferencia de potencial en estaciones respecto a un punto dereferencia. El método de gradientes mide la diferencia de potencial sucesivamente entredos estacas contiguas del perfil.



162

EJEMPLOS DE APLICACIÓN DEL POTENCIAL NATURAL

INVASIÓN DE LODO BENTONITICO DE UNA PERFORACIÓN Y PERCOLACIÓN DEAGUA RICA EN MATERIA ORGÁNICA JUVENTINO ROSAS, GTO.

Durante la perforación de un pozo existió pérdida total de circulación, la invasión del lodode perforación en las zonas vadosa y de acuífero, así como la dirección de flujo sonobservados en la figura 3.28.

Figura 3.28 Mapa de potencial natural (MV)



163

PROSPECCIÓN GRAVIMETRICA

LOCALIZACION DE PALEOCAUCES EN ROCAS DE GRANITO PARA LAPERFORACIÓN DE POZOS ITSMO DE TEHUANTEPEC, OAX.

La planicie de Tehuantepec está formada por granito con una cubierta de materialesaluviales de un par de metros, no existe posibilidad de que el agua sea almacenada por loque los acuíferos se localizan en los paleocauces que son fácilmente detectables por losmínimos en Ia prospección gravimétrica. Figura 3.29.

Figura 3.29 Paleocauces en la planicie de Tehuantepec, Oax., únicos sitios que constituyen un acuífero, zona sombreada.



164

PROSPECCIÓN MAGNETOMETRICA

EXPLORACIÓN MAGNETOMETRICA EN LA LOCALIZACION DE UNA ESTRUCTURASEPULTADA QUE AFECTA EL FLUJO DE AGUA, VALLE DE EL SALTO, JAL.

Cuando la superficie piezométrica llegó a cierta profundidad, los abatimientos en lospozos fueron tan fuertes que todos ellos aquellos dentro de una región llegaron al fin desu vida útil. Se proyectó la ejecución de la exploración magnetométrica y gravimétrica conobjeto de descubrir la estructura geológica que afectaba el movimiento del aguasubterránea, quedando identificado un volcán sepultado. Figura 3.30.

Figura 3.30 Mapa magnético de una estructura volcánica sepultada



165

CAPÍTULO 8

PERFILES GEOTÉCNICOS

La información del subsuelo obtenida de las exploraciones geotécnicas pueden

representarse en dos formas: INDIVIDUAL O INTEGRAL.

A continuación se describen cada uno con sus características y ejemplos de algunos deellos.

PERFILES GEOTÉCNICOS INDIVIDUALES

Existen cinco tipos de perfiles:-Perfil de sondeo.-Perfil de un socavón.-Perfil de un pozo a cielo abierto.

-Perfil de una trinchera.-Perfil geofísico de una sección.

PERFIL DE UN SONDEO

Es la representación gráfica de los datos y las propiedades de los núcleosrecuperados en un sondeo, mediante un análisis cuidadosos de ellos en el campo y depruebas sobre estos, desarrolladas en el laboratorio.

Para su elaboración se utilizan diversos patrones, como los mostrados en las figuras 1.2 y3 en donde se vacían los datos obtenidos de las pruebas y observaciones campo y de

laboratorio, con lo que tendrá un perfil del sondeo que incluye: la descripción de lasunidades cortadas, la descripción de las discontinuidades y las gráficas de los valoresobtenidos de las discontinuidades y las gráficas de los valores obtenidas de las pruebasde laboratorio.



166

Mapa Geotécnico El Caracol



167

En la construcción del perfil se anotará, en la columna de observaciones, todo aquello queno se encuentre claramente especificado en el mismo y representa cierta importancia parasu análisis (fugas parciales o totales de agua, derrumbes en la pared de pozo, ademado,caídas bruscas de broca, características del material en suspensión en el agua de retorno,etc.).

Las escalas que se recomiendan en estos perfiles son 1:100 y 1:200 con el fin de poderpresentar en ellos el mayor número de datos claramente; sin embargo, se pueden utilizarescalas menores.

Estos perfiles son útiles en el conocimiento de las propiedades y características de lasrocas y suelos del proyecto, y en la elaboración de secciones geotécnicas necesarias parael análisis global de las condiciones de área estudiada.

PERFIL DE SOCAVONES, POZOS A CIELO ABIERTO (PCA) Y TRINCHERAS

Es la representación gráfica en planta de todos los aspectos que se pueden observar enun socavón, en un pozo a cielo abierto o en una trinchera.

La elaboración de ellos es simplemente el dibujo de los rasgos que aparecen tanto en elpiso como en las paredes de la obra, en un desarrollo en plano de la mismarepresentando la litología, grado de alteración de roca, las discontinuidades y estructuraspresentes, contactos, estratificación y echados, cavidades, disolución, etc.



168



170

Las ventajas y utilidad de estos procedimientos de exploración es que pueden estudiarselas características de los materiales directa y visualmente. Las figuras 4 y 5, se presentaun ejemplo de levantamiento estructural en socavones y trincheras o pozos a cielo abierto.

Conviene observar la evolución de las rocas bajo la acción de la intemperie después de laexcavación, con objeto de valorar el grado de alterabilidad que presentan en intervalos detiempo relativamente cortos.

PERFIL GEOFÍSICO DE UNA SECCIÓN

La utilización de los métodos geofísicos de exploración puede redundar en una economía,al reducir la magnitud de las exploraciones directas.

Es preciso calibrar los resultados de estos métodos, en un sitio dado, comparándolos conlos de un sondeo por lo menos.



171

6 . 4 5 . 2

5 1 0

1 5

2 0

2 5 C

F E

P r o f .

e n m .

D i a m .

L i t o l o g

í a

D i s c o n t i n u i d a d e s

P e r f i l

D e s c r i p

c i ó n

P e r f i l

D e s c r i p c i ó n

F r a c t u r a m i e n t o

g e n e r a l c o n

s e p a r a c i ó n d e 1 5

a 2 0 c m e n t r e

f r a c t u r a s . a m p l i a

f a l l a c o n r e l l e n o

d e a r c i l l a d e u n

e s p e s o r a p r o x .

d e 2 0 c m .

S i s t e m a d e

f r a c t u r a s

p a r a l e l a s

r e l l e n a s d e

c a l c i t a . G r a n

c a n t i d a d d e

v e t i l l a s d e

c a l c i t a , s e

o b s e r v a n e n l a

z o n a , a

d e m a s d e

a l g u n o s

h o r i z o n t e s

i n t e r e s t r a t i f i c a d o s

d e c a l c i t a .

P i z a r r a c o

n

a r e n i s c a c

a f é

t r i t u r a d a .

P i z a r r a c o n

c a l c i t a

N F

P i z a r r a c o n

a r c i l l a c a f é

A r e n i s c a d e

g r a n o f i n o

P i z a r r a c o

n

h o r i z o n t e s

d e

c a l c i t a

P i z a r r a c a

f é

a r c i l l o s a

6 5 4

S o n d e o N o .

5 6

H o j a : 1 / 2

P E R F I L G E O T É C N I C

O

R O C A S

O b r a

P . H .

E l C a r a c o l , G r o .

E q u i p o d e p e r f o r a c i ó n .

I n i c i o

F e c h a d e c a m p o

T é r m i n o

F e c h a d e l a b o r a t o r i o

C o t a b r o c a l

3 0 7 . 0

0

L o c a l i z a c i ó n M . D .

3 + 2 1 1 y 1 + 5 1 0

R e c .

R q d .

P e r m

. ( U . L u g e o n )

4 0

8 0

2

4

2 0 0

4 0 0

5 0

1 0 0

2 0 0

4 0 0

O b s e

r v a c i o n e s

N i v e l F r e á t i c o

: 3 m

O p e r a d o r

L a b o r a t o r i o

s u p e r v i s o r F I G

. I I I . 2 b

P e r f i l r o c a s

I n d i c e d e

a l t e r a c i ó n

L , e n %

R e s i s t e n c i a a

l a c o m p r e s i ó n

R c , e n k g / c m 2

R e s i s t e n c i a a

l a t e n s i ó n R T ,

e n k g / c m 2

M ó d u l o d e

e l a s t i c i d a d

E , k g / c m 2 1 0 3

N F

A

r t e s i a n i s m o

P

é r d i d a p a r c i a l d e

a g u a

P

r o f u n d i d a d t u b o d e

A

d e m e

N

i v e l p i e z o m é t r i c o



172

La correlación así establecida entre las magnitudes medidas con estos métodos y el corteestratigráfico del sondeo permite deducir, posteriormente los cortes geológicos.) Motivopor el cual, la representación de los resultados obtenidos de una exploración geofísica seasociará siempre a uno o varios cortes geológicos, inclusive como parte de las seccionesgeotécnicas integradas como un dato más para la interpretación de las condiciones

geotécnicas del sitio.PERFIL GEOTECNICO INTEGRADO O SECCIÓN GEOTECNICA

Es la representación de una serie integrada de perfiles geotécnicos individuales (sondeos,socavones, trincheras, PCA) distribuidos sobre una sección de interés para el estudio, quepermitirá interpretar la geología de la sección.

Una buena interpretación del perfil integrado ayudará a conocer las relacionesestructurales, la disposición de los materiales en el subsuelo, los niveles piezométricos yserá de gran utilidad para los análisis de estabilidad de laderas., excavacionessubterráneas, el estudio de la geometría de los depósitos, el volumen de materiales y delrelleno, el conocimiento de la dirección de flujos subterráneos, el análisis de estados deesfuerzos, etc.

La presentación de estos perfiles se puede hacer escalas de 1:500 a 1:5000, siempre ycuando la que se use permita observar con claridad los elementos estructuralesprincipales y la distribución de las rocas y suelos. En la fisura se presenta un ejemplo desección geotécnica.



173



174

SOCAVÓN: Es una excavación que penetra en una ladera y debe ser lo suficientementegrande para que un hombre pueda trabajar dentro de él.

ESTUDIOS QUE SE REALIZAN EN EL SOCAVÓN

A) Determinar el tipo de deformación, fracturas, diaclasas, existencias de fallas y algunasotras características de las rocas.

B) Obtener muestras de las rocas para ensayes de laboratorio.

C) Realizar pruebas de campo (in situ) para conocer la permeabilidad, resistencia ycompresibilidad de las rocas, así como el estado de esfuerzos existentes dentro delmacizo rocoso.

D) Estudiar la capacidad de la roca sin ademar, para soportar su peso propio sinderrumbe, que es un factor importante.

REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LAS PERFORACIONES

Según Attewell y Parmer (1975 Pág. 465), un registro típico de perforación que deberácontener la siguiente información.

1) Ubicación, elevación, orientación, e inclinación.

2) Método de barrenación, muestreo y detalle del equipo (broca de diamante, tricónica,tubo denisson, etc.)

3) Registro del progreso de la barrenación con énfasis particular en la localización de lasseries, de núcleos, muestras o pruebas " in situ", información detallada de la velocidad dela barrenación interpretada como resistencia a la penetración o al rompimiento.

4) Descripción detallada del nivel freático, cambios del mismo, pérdida de agua (en el flujode agua de perforación o ganancias de ellas).

5) Descripción detallada, basada en uncí descripción simplificada durante la perforación yen núcleos y muestras examinadas en el laboratorio, este examen incluye una descripciónsistematizada de suelos y rocas (grado de intemperismo, micro estructuras, color, tamañodel grano, alteración) y una correcta nomenclatura en el .caso de rocas y suelos bienconsolidados. Se harán estimaciones de fracturamiento de núcleos, recuperación de ellos,estimación del R. Q. D. y espaciamiento de las discontinuidades en núcleos completos.



175

SONDEO ELÉCTRICO VERTICAL (SEV) CON ARREGLO SCHLUMBERGER

En este arreglo tetrapolar se colocan a una distancia "D" en sí, la cual alimentará enmagnitud después de cada medición en el mismo punto de atribución pero la distanciainterelectródica será la misma. Las principales aplicaciones de este método son las

siguientes: A) Determinación .de espesor y profundidad de materiales o zonas permeables oimpermeables.

B) Localización de niveles de agua, existencia y profundidad del agua subterránea.

C) Salinidad de las aguas.

D) Localización de posibles sondas Karsticas.

E) Delimitación de la zona litoral de invasión marina.

E) Localización de zonas de aguas contaminadas.

G) Estudio de la secuencia de capas subterráneas y una estimación de la profundidad yespesor de esas capas.

H) Localización de materiales de construcción.

i) Localización de fallas.



176

ÍNDICE DE DESCRIPCIÓN DE CALIDAD DE LA ROCA. (RQD)

El Índice de descripción de calidad de la roca (RQD) fue introducido desde hace más de20 años como un índice de calidad de la roca en un momento en el que la información dela calidad de la roca era obtenida usualmente solo por las descripciones geológicas y el

porcentaje de núcleo recuperado (Deere, 1988).D.U. Deere asentó el índice en 1964, pero no fue sino hasta 1967 que el concepto fuepresentado por primera vez en forma de publicación (Deere y otros, 1967). El RQD es unporcentaje de recuperación núcleo-recuperación el cual solo esta integrado por piezas delnúcleo que son de 100 mm (4 pulgadas) o en longitudes mayores. Este Índice cuantitativodebe ser usado como bandera roja para identificar zonas rocosas de baja calidad lascuales merecen mayor escrutinio y puede requerir otros trabajos exploratorios adicionales.

Para determinar el RQD, la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas recomiendauna medida mínima del diámetro del núcleo NX (54.7 mm) del doble tubo del taladroperforador. La siguiente relación entre el Índice RQD y las cualidades ingenieríles de laroca fueron propuestas por Deere (1968):

RQD (%)CALIDAD DE

ROCAS

<25 MUY MALA

25-50 MALA

50-75 REGULAR

75-90 BUENA

90-100 EXCELENTE



177

]100[)10(

Lt

cm Li RQD

]100[20

)4320738( RQD

%59 RQD

38

17

Q

20

43

Li=Longitud de cada pieza de nucleo>10 cm.

Lt=Longitud total del nucleo recuperado (de la

perforación).

Piezas con longitud menores

menores de 10cm.

Rompimiento mecánicocausado por el proceso deperforación.

Figura 3.2 Procedimiento para medición y cálculo de la descripción de calidad de roca.

El procedimiento correcto para la medición del RQD esta ilustrado en la Fig. 3.2. Muestraclaramente que el RQD incluye solo las piezas del núcleo mayores de 100 mm (4pulgadas) de longitud las cuales se suman y se dividen entre la longitud total del núcleo

barrenado. Al respecto, piezas de núcleo que no estén sólidas y en buenas condicionesno deben ser contadas aunque cumplan con el requisito de ser mayores de 100 mm delongitud. De esta manera, roca altamente intemperizada recibe un RQD de cero. Conrespecto al núcleo recuperado, el RQD calculado debe estar basado en la longitud actualde las perforadores usados en el campo, preferentemente no mayor de 1.5 m (5 pies). Lalongitud del núcleo es medida a lo largo de la línea central o eje (Ver Fig. 3.2).El diámetroóptimo del núcleo es la medida NX y la medida NQ (47.5 mm o 1.87 pulgadas), peromedidas entre BQ y PQ con diámetros de núcleo de 36.5 mm (1.44 pulgadas) y 85 mm(3.35 pulgadas) pueden ser usados perforando cuidadosamente para que al ser usadosno cause rotura por si mismo al núcleo.



178

Cording y Deere (1972) trataron de describir el Índice RQD para el Factor de Carga deRocas de Terzagui presentando tablas relativas al ademe en túneles y al RQD. Ellosestablecieron que el concepto Cargas de Roca de Terzagui puede ser limitado a túnelessoportados por ademes de acero, así, este no se aplica bien a soportes compuestos por

pernos en roca.Merritt (1972) estableció que el RQD puede ser de valor considerable en la estimación delrequerimiento de soporte basado en su versión mejorada, como una función del ancho deltúnel y del RQD, como fue propuesto por otros. Esto está en la Tabla 3.4, copilada porDeere y Deere (1988):

Tabla 3.4 Relación del RQD y requerimientos de soporte para un túnel de 6m (20ft) de ancho.

SIN SOPORTES OPERNOS LOCALES

PLANTILLA DEPERNOS

ADEME METÁLICO

Deere y otros(1970) RQD 75-100

RQD 50-

75(espaciados de 1.5a 1.8m).

RQD 50-75 (ademeligero de 1.5 a 1.8m

de espaciamientocon pernosalternados).

RQD 25-50(espaciados de 0.9 a

1.5m)

RQD 25-50 (ademede ligero a mediode 0.9 a 1.5m de

espaciamiento conpernos alternados).

RQD 0-25(ademecircular de medio a

pesado conseparación de 0.6 a

0.9m)

Cecil (1970) RQD 82-100RQD 52-82(alternativamente

concreto lanzado de40 a 60 mm.)

RQD 0-52 (ademeo concreto lanzado

reforzado)

Merrit (1972) RQD 72-100RQD 23-72

(espaciados de 1.2 a1.8m)

RQD 0-23

Palmstrom (1982) sugirió que cuando el núcleo no está disponible, el RQD puede serestimado por el número de juntas (discontinuidades) por unidad de volumen, en el cual, elnúmero de juntas por metro por cada juego de juntas es sumada. La conversión paramasas de roca por arcilla suelta es:

RQD =115-3.3Jv

Donde Jv representa el número total de juntas por metro cúbico.

Una consecuencia secundaria de hacer una investigación sobre el RQD en 1960 fue lacorrelación del RQD con los modelos de deformación in-situ, pero ésta no fue muy usadaen los recientes años.



179

Hoy, el RQD es usado como un parámetro estándar en el sondeo de núcleos y forma unelemento básico de los dos mejores sistemas de clasificación de macizos rocosos: elsistema RMR y el sistema Q.

Aunque el RQD es un Índice simple y económico, el solo no es suficiente para

proporcionar una descripción adecuada de un macizo rocoso porque no atiende laorientación de las juntas, la tensión ni el material de relleno. Esencialmente, es unparámetro práctico básico basado en "una medida del porcentaje de roca (núcleo) sana deuna barrenación" (Deere y Deere, 1988).

SUBDIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO EXPERIMENTAL

RESIDENCIA REGIONAL CENTROREGISTRO DE RECUPERACIÓN E I.C.R. EN LAS EXPLORACIONES

EXP. EST. ELEV.

RUMBO EXP.

OBRA O PROYECTO

TRAMORECUP. EN

MTS.RECUPERACIÓN

%No. DE TRAMOS >=

10CM.

SUMA DETRAMOS >=

10CM.I.C.R. %

TOTALES



180

CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS GEOFÍSICOS

ESTÁTICOS

1)TIEMPO

DINÁMICOS

MAYORES2)APLICABILIDAD

MENORES

TERRESTRESMARINOS

3)SISTEMAOPERATIVO

SUBTERRANEOS AÉREOS

4)OBJETIVO

NATURAL5)ORIGEN DELCAMPO

ARTIFICIAL

SOMEROS6)ESCALA

PROFUNDOS

GRAVIMETRÍA

MAGNETOMETRÍA

SÍSMICOS

ELÉCTRICOS

7)TÉCNICAS ELECTROMAGNÉTICOSREG. DE POZOS

RADIOMETRÍA

TERMOMETRÍA

PERCEPCIÓN REMOTAETC.



181

ETAPAS DE APLICACIÓN DE LOS MÉTODOS GEOFÍSICOS

PREFACTIBILIDAD

FACTIBILIDAD

CONSTRUCCIÓN

OPERACIÓN

PROBLEMA MÉTODO APLICABLE

CALIDAD DE ROCAS SMICA DE REFRACCI N, CROSS-HULE,RESISTIVIDAD

ZONA DE FRACTURAMIENTORESISTIVIDAD, CROSS-HULE, S.P.,S SMICA DEREFRACCIÓN

ZONA ARCILLOSA RESISTIVIDADZONA DE FALLA RESISTIVIDAD,CROSS-HULE,S.P.PERMEABILIDAD RESISTIVIDADARABILIDAD SÍSMICA DE REFRACCIÓNZONA CARSTICA RESISTIVIDAD

DIQUES RESISTIVIDAD, MAGNETOMETRÍA, SÍSMICA DEREFRACCIÓN

METODOS GEOFÍSICOS COMUNMENTE APLICADOS EN LA ING. CIVIL

TERRESTREREFRACCIÓN

MARINA

REFLEXIÓN

UP-HOLE

DOWN-HOLEPOZOS

CROSS-HOLE

TOMOGRAFIA SÍSMICA

SÍSMICOS

ULTRASÓNICOS (LABORATORIO)

SONDEOS ELÉCTRICOS SCHLUM BERGER

VERTICALES WENNERDIPOLO-DIPOLO

CALICATAS DIPOLARES POLO-DIPOLO

ELÉCTRICOS DERESISTIVIDAD BLOQUES

POTENCIAL NATURAL



182

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE ONDAS ELÁSTICAS EN SUELOS Y ROCAS

SUELOS

MATERIAL CONDICIÓN VELOCIDAD(KM/SEG) ARABILIDAD

LIMOS Y ARENAS COMPACTOS 0.4-0.7 ARABLESUELTOS 0.2-0.4 ARABLE

ARCILLAS DURA 0.6-1.0 ARABLEBLANDA 0.2-0.3 ARABLE

BOLEOS Y GRAVAS ______ 0.2-0.4 ARABLE

ROCAS IGNEAS

GRANITO SANO 4.5-6.0 EXPLOSIVOSPOCO FRACT. 1.5-4.5 EXPLOSIVOS

MUY FRACT. 0.7-1.8 EXPLOSIVOS

ALTERADO 0.4-1.0EXPLOSIVOS OINTERMEDIOS

RIOLÍTA Y ANDESITA POCO FRACT. 3.8-5.0 EXPLOSIVOS

MUY FRACT. 1.5-3.8 EXPLOSIVOS ALTERADAS 0.9-1.5 ARABLE

BASALTOS SANOS 5.0-6.0 EXPLOSIVOS

POCO FRACT. 1.4-5.0 EXPLOSIVOS

MUY FRACT. 0.7-1.4 EXPLOSIVOS

ALTERADOS 0.5-0.7INTERMEDIO O

ARABLE

TOBAS SANAS 1.4-1.8 INTERMEDIOPOCO FRACT. 1.2-1.6 INTERMEDIO

MUY FRACT. 0.4-1.2 ARABLE

ALTERADAS 0.3-0.7 ARABLE

ROCAS SEDIMENTARIAS YMETAMÓRFICAS

CALIZAS ___ 1.5-4.0 EXPLOSIVOS

ARENÍSCAS ___ 0.6-2.5

ARABLE HASTA0.8 KM/SEG

APROX. DESPUESREQUIERE

EXPLOSIVOS

AGLOMERADOS ___ 0.2-0.9 ARABLE

1.0-3.0GENERALMENTE

EXPLOSIVOS

LUTITA DURA 1.2-4.0 EXPLOSIVOS

BLANDA 0.6-1.4 ARABLE



183

CAPÍTULO 9

LOS MÉTODOS GEOFÍSICOS EN LA GEOTECNIA

RESUMEN

Los métodos geofísicos son técnicas indirectas para la caracterización de cuerpos yestructuras geológicas, por parámetros físicos, como auxiliares en la planeación,construcción y conservación de obras civiles. Se presentan los principios generales de lastécnicas geofísicas usadas en geotecnia.

INTRODUCCIÓN

La geofísica forma parte del grupo de Ciencias de la Tierra, que estudia los fenómenosfísicos que ocurren en el globo terráqueo y su entorno. Geofísica aplicada en la reuniónde tecnologías especificas para la investigación y estudio de estructuras geológicas o

cuerpos, a partir de propiedades y fenómenos físicos naturales o creados artificialmente.Los métodos geofísicos son las técnicas utilizadas para la exploración y definición deestructuras geológicas y cuerpos, en términos de propiedades físicas: velocidad depropagación de ondas sísmicas, parámetros sismoelásticos, resistividad eléctrica,cargabilidad eléctrica, densidad, susceptibilidad magnética, radiactividad, etc.; sedescriben los métodos mencionados los principios básicos y algunas de sus masconocidas aplicaciones en geotecnia.

CLASIFICACIÓN

Los métodos geofísicos son diversos y se pueden clasificar de varias maneras:

I) Tiempo. Estáticos: Cuando el campo estudiado no varia sustancialmente con el tiempo;Relajación: la variable medida sí es dependiente del tiempo y el campo estudiado esinvariante en el tiempo; y Dinámicos: si el fenómeno investigado es variable en el tiempo(Parasnis, 1976).II) Aplicabilidad. Mayores: Cuando las áreas de aplicación usual son varias, y Menores: sise emplea para resolver problemas muy específicos.III) Sistema operativo. Terrestres: cuando las lecturas se toman en la superficie delterreno; Marinos: en la superficie de masas de agua; Subterráneos; en el interior decalidades; y aéreos: sobre la superficie terrestre.IV) Objetivo. Detector de cuerpos: si el objeto de interés es restringido lateralmente, y de

Superficies cuando lo buscado presenta rasgos de horizontalidad y de Extensión Lateralgrande.V) Origen de campo. Natural, si el campo estudiado existe, y artificial, si es creado para latoma de datos.VI) Escala. Someros y Profundos dependiendo de la profundidad de investigación delmétodo.Vll) Técnica: Gravimetría, Magnetometría, Sísmicos, Eléctricos, Electromagnéticos,Registros de pozos, Radiometría, Termometría, Percepción remota.



184

GRAVIMETRÍA

Es la determinación de cuerpos que producen efectos gravitacionales de atracción porexistir discrepancia entre la densidad de ellos y el medio que los rodea. Las medidas degravedad se efectúan con gravímetro que proporciona la diferencia de gravedad entre el

punto de observación y un punto base de gravedad absoluta conocida (Telford et all.,1976). La ley de Atracción Universal de Newton es la que sustenta la formulación teóricadel método.

Si la tierra fuese homogénea o estratificada y permaneciera inmóvil, la gravedad seria lamisma en cualquier punto sobre la superficie de ella. Sin embargo, la gravedad varíaapreciablemente de un lugar a otro y se debe a la presencia de cuerpos densos o conescasez de masa, estén someros o profundos. Anomalía gravimétrica es la diferenciaentre las lecturas de gravedad observada en los puntos de interés y la que debería existirsi la tierra fuese un geoide homogéneo, y es positiva si existieran cuerpos mas densosque el medio que los rodea y negativa si tuviera deficiencia de mas (menos densos); laanomalía gravimétrica es mas ancha y de menos intensidad si el cuerpo objetivo esprofundo que si estuviera somero. Los datos deben corregirse (Grand y West, 1965) paratener la gravedad referida a un datum uniforme en todo el estudio, las correccionesutilizadas son: aire libre para llevar el dato de campo al nivel base, Bouguer paraconsiderar la masa no contemplada en la corrección anterior, topográfica para eliminar losefectos de las irregularidades del terreno adyacentes al punto de observación y mareaspara minimizar el efecto de atracción Luna-sol sobre la tierra. La anomalía corregida se leconoce como de Bouguer.

La anomalía de Bouguer se separa en dos, para tratar de delimitar los efectos profundos oregionales y los cuerpos someros de probable interés. Adicionalmente, se efectúan otrosprocesos generalmente digitales para visualizar algunos rasgos estructurales o quizáscambios verticales de densidad. La interpretación de los datos es doble, cualitativa ycuantitativa. Para la primera es necesario construir planos que expresen secciones omapas de zona estudiada para tener una burda idea del tipo de cuerpos y susdimensiones.

La interpretación cuantitativa es para definir la distribución de la densidad en el subsuelo yes sencilla si los cuerpos anómalos son de geometría regular, por conocer los efectossegún expresiones analíticas y modelando con técnicas numéricas si la estructura delsubsuelo es más complicada. El método gravimétrico es empleado como dereconocimiento en tareas de exploración. Aplicaciones a la Ingeniería Civil son escasas;se ha usado en Hidrogeología para la solución de algún problema geológico - estructural yen la búsqueda de cavidades naturales y obras mineras. La utilidad de la Microgravimetríadependerá en gran medida de la calidad del traba'6 topográfico pues debe ser sumamentepreciso y en el tipo de gravímetro a utilizar. En general, se puede decir que laMicrogravimetría se puede emplear para la búsqueda de rocas compactas y densas ofracturadas con respecto a su entorno, cuya dimensión lateral sea comparable a suprofundidad.



185

MAGNETOMETRIA

Es un método similar al gravimétrico, con la salvedad de que no solo se pueden estudiarel campo vertical, sino las otras componentes o la intensidad total, y la propiedad físicaestudiada es la susceptibilidad magnética, las medidas de campo magnético se pueden

efectuar con magnetómetros de respuesta casi inmediata montados en vehículos enmovimiento (Cantos, 1974). Esto último ofrece grandes posibilidades para el cubrimientoaéreo de zonas grandes en poco tiempo. Es casi imprescindible el empleo de dosmagnetómetros, uno en la estación base para las correcciones por deriva y el otro en lospuntos de interés. El procesado digital y la interpretación de los datos magnéticos essimilar a la utilizada en la información gravimétrica. El método Magnetométrico es usadoen trabaos de reconocimiento en tareas de exploración petrolera y de localización deyacimientos de hierro y uranio en exploración minera. Para el caso de geotecnia se podríautilizar en la ubicación de puertos con alto contenido de materiales ferromagnéticoslocalizados en el trazo de alguna vía de comunicación o en la localización de tuberías deacero cubiertas de material.

Al igual que el Gravimétrico el método adolece del efecto de que la fuente del campoestudiado es producido por el cuerpo o cuerpos de interés.

SÍSMICO

Este grupo de métodos es de los más empleados tanto en geotécnia como enexploración. Al igual que los otros se basa en una característica específica del medio; eneste caso son las propiedades elásticas de los materiales, a partir de perturbacionesnaturales (sismos) o creadas artificialmente en la "superficie" del terreno. Las propiedadeselásticas estudiadas a partir de sismos se emplean en la investigación de la tierra comoun globo y en el estudio sobre fenómenos de movimientos naturales del terreno,importantes para el emplazamiento de obras civiles relevantes.

Para el caso de que la fuente de ondas sismoelásticas sea artificial, esta se puede originaren diferentes formas: caídas de pesos, explosivos, vibradores, etc., generalmenteemplazados en la superficie o a muy poca profundidad y en agujeros de diámetropequeño (barrenos). La energía generada se propaga por el subsuelo y en el aire y esrecibida por sismoreceptores o geófonos que transforman la vibración mecánica enseñales eléctricas que son amplificadas, filtradas y registradas en los sismógrafos. Laperturbación se propaga en el medio por frentes de onda que sufren modificaciones:reflexiones, refracciones, difracciones, dispersiones, etc., que son detectadas en lasuperficie del terreno por sismógrafos, el parámetro experimental es el tiempo de arribo delas distintas ondas en que se transforma la perturbación mecánico-elástica en lasrefracciones y reflexiones de contacto entre capas en el subsuelo. Las ondasnormalmente estudiadas son las ondas longitudinales P, las ondas transversales S y lasondas superficiales Love y Rayleigh. Un problema difícil de distinguir en un sismograma,es la llegada de las distintas ondas en función del tiempo y de las características enamplitud y frecuencia. El objetivo de los métodos sísmicos es describir espacialmente lavelocidad de propagación de las ondas.



186

SÍSMICO DE REFLEXIÓN

Es de los métodos geofísicos mas costosos pero el mas preciso. Es muy utilizado en laexploración de hidrocarburos y de yacimientos geotérmicos. Se basa en producir undisturbio en la superficie del termo y registrar en un sismograma de varios segundos, las

reflexiones de las ondas que llegan a la superficie; generalmente las ondas de interés sonlongitudinales por su mayor velocidad de propagación. Los datos requieren de procesosdigitales de eliminación de ruidos, mejora y realce de la información útil e interpretación.En la actualidad es poco conocido el método de reflexión para objetivos someros, aunqueexisten posibilidades de su futura utilización.

SÍSMICO DE REFRACCIÓN

Es un método similar al anterior donde las profundidades de investigación son menores yel tiempo de registro es cuando más del orden el segundo y las ondas gravadas(analógica, digital) son producto de refracciones discontinuidades del medio y losgeófonos deben tener características distintivas según la dirección medida y el tiempo deonda deseada. Una condición importante para la aplicación del método, es que lavelocidad de propagación de las ondas aumente con la profundidad (Dobrin, 1975). Elpunto donde se produce la perturbación y la ubicación de los geófonos se define enfunción del objetivo estudiado. Cuando el estudio es en la superficie, es común efectuarperfiles continuos con puntos de tiro a ambos lados de la línea de geófonos. En ocasioneses necesario corregir los datos por altitud, para así referirlos a un nivel base y eliminar lacapa más superficial cuando es de muy baja velocidad, del análisis de los sismogramases posible distinguir el arribo de las ondas y de ahí construir una gráfica tiempo-distancia.El estudio de las gráficas permite definir la distribución de las velocidades de propagaciónde la onda en el subsuelo; para esto, existen técnicas gráficas, analíticas y numéricas. Lacombinación de dos de ellas parece ser lo más indicado. Cuando lo que se desea escuantificar parámetros elásticos, tales como la relación de Poisson y el modulo de Young,es necesario conocer las velocidades de propagación de las ondas longitudinales ytransversales; para esto es necesario elegir adecuadamente la fuente y lossismodetectores. El método de refracción es de los más utilizados en trabajos degeotecnia para definir la calidad de la roca y los parámetros elásticos en obras civilessujetas a vibraciones.

UPHOLE Y CROSSHOLE

Son técnicas más precisas porque la fuente y/o los geófonos se ubican en los materialesque interesan, en el interior de los barrenos. La técnica de Uphole (Davenport et al, 1978)consiste en situar en el interior de un barreno una serie de geófonos para registrar lasondas las ondas generadas por una fuente de energía ubicada en la superficie del terreno

junto a la perforación. Este método sirve para detallar la información obtenida conrefracción y para definir la velocidad de las ondas en materiales de baja velocidad nodefinidas por el método de refracción. En ocasiones se hacen estudios Uphole comoantecedentes a los de refracción. El método Crosshole (Davenport et al, 1978)proporciona los mejores datos porque la fuente y la ubicación del geófono están en elmismo medio. El problema para la ejecución consiste en no dañar la perforación si se



187

desea registrar varios horizontes. Estas técnicas son útiles para incrementar laconfiabilidad de la información en áreas de geología compleja por ejemplo en túneles.

ELÉCTRICOS

Los métodos eléctricos son técnicas empleadas comúnmente en problemas de IngenieríaCivil e Hidrogeología. Consiste en crear artificialmente un campo eléctrico estacionario porcontactos galvánicos (electrodos) y medir los potenciales generados en otros puntos paraobtener el valor de la resistividad eléctrica. El procedimiento de operación puedeefectuarse de dos maneras. Sondeo eléctrico cuando la geometría de la disposición deelectrodos se conserva con respecto a un punto de simetría y solo se incrementa sutamaño, cuya investigación es a profundidad (Orellana, 1982); el subsuelo deberásimularse como un medio seudoestratificado para que la interpretación cuantitativa sea debuena calidad, aunque últimamente se han desarrollado técnicas para modelos mascomplejos. Esta técnica se ha utilizado en muchos problemas de geotecnia en la mayoríade las ocasiones con éxito. Para el perfilaje o calicateo eléctrico se emplean las mismasdisposiciones de electrodos y el modo de operación es desplazar el centro de simetría sinincremento en el tamaño de la regla (lakubobskii y liajob, 1980), es decir la investigaciónes lateral. El perfilaje se utiliza para detectar cambios laterales de litología, contactosverticales, fallas, etc.

La interpretación cuantitativa se realiza con el auxilio de gráficas bilogarítmicas, que secomparan con las de modelos previamente calculados u obtenidos con algoritmosnuméricos.

Los procedimientos gráficos se han utilizado con bastante éxito durante mucho tiempo,pero que son susceptibles de mejorarse con técnicas numéricas bien conocidas. Latendencia actual de los métodos numéricos es combinar los procedimientos anteriores,para que la investigación de resistividad sea según dos direcciones: a profundidad y sobreun eje paralelo a la superficie del termo; de esta manera se podrían interpretar modelosmás complejos y efectuar correcciones por topografía no realizadas comúnmente en laactualidad.

Los métodos eléctricos se han utilizado con éxito en la mayoría de problemas geotécnicosen las etapas de planeación, construcción y conservación de obras civiles.

ELECTROMAGNÉTICOS

Son técnicas esencialmente utilizadas en exploración de yacimientos mineros, aunqueúltimamente hay ejemplos de su utilización en problemas geotécnicos. Estos métodosabren posibilidades a la exploración debido a la gran cantidad de variables medidas, poremplearse campos eléctricos y/o magnéticos variables en el tiempo, tales como el campomagnético en sus tres direcciones, la elípticidad y ángulo de inclinación de la elipse depolarización, y la influencia en las observaciones de la permitividad eléctrica y lapermeabilidad magnética. El perfilaje electromagnético es útil para la determinación derocas con alto contenido masivo de minerales conductores y detección de fallas, y el depolarización inducida para detectar cuerpos con mineral conductor diseminado ymateriales arcillosos.



188

Los sondeos electromagnéticos son de reciente desarrollo y se pueden clasificar en eldominio del tiempo y de la frecuencia. En el dominio del tiempo los campos inducidos enel terreno son construidos mediante una bobina en la que circula una corriente variable enforma de pulsos, la medición de los campos se hace cuando la corriente circulante se

anula. Los sondeos en el dominio de la frecuencia se basan en inducir camposelectromagnéticos en el subsuelo a través de una bobina de fuente en la que circula unacorriente sinuosoidal. En la modalidad de sondeo geométrico la frecuencia de trabajopermanece fija y la distancia entre transmisor y receptor se va incrementandocontinuamente para controlar la profundidad de investigación. Para el caso del sondeoparamétrico la distancia entre transmisor y receptor permanece constante y se hace variarla frecuencia como controlador de la profundidad de investigación. Es este el caso el queofrece mejores posibilidades prácticas y teóricas.

Las ventajas de los métodos electromagnéticos sobre los eléctricos es que en zonas detopografía abrupta estos son difíciles de aplicar e interpretar y en aquellos el problema seve disminuido pues para el caso de sondeos parámetricos el transmisor y el receptorpermanecen fijos además, cuando en la superficie existen estratos resistivos es difícilpenetrar con campos estacionarios producidos por contactos galvánicos y mas fácilcuando los campos son inducidos. El método de radar es una técnica de desarrolloreciente que ofrece grandes posibilidades de aplicación a problemas geotécnicos; sepuede considerar como una técnica en el dominio del tiempo. Los principios físicos sonsimilares a los del radar convencional, es decir, que se utilizan pulsos con esquinas comoseñala fuente inyectada al terreno y de muy alta frecuencia del orden de 16 a 50megahertz y que son reflejados en los contactos entre materiales diferentes. Cuando seusa una sola antena, esta sirve como transmisora y receptora, cuidando solamente que elintervalo entre los pulsos transmitidos sea lo suficientemente grande para no enmascararlas señales reflejadas. Otra forma es usar dos antenas, una transmisora y la otrareceptora. Las señales reflejadas se les denominan eco, que se despliegan en unosciloscopio y son las que se emplean en la interpretación para la cuantificación deprofundidades.

Las profundidades máximas reportadas son del orden de 25m. El método de radar se haaplicado a la búsqueda de tuberías, roca firme, cavidades, túneles y definición deespesores de sedimentos en el fondo de almacenamientos de agua.

REGISTROS DE POZOS

Los Registros Geofísicos de pozos hoy en día, son las herramientas más eficaces paravalorar las propiedades físicas de las rocas. Registro Geofísico de Pozo es larepresentación gráfica o digital de una propiedad física contra la profundidad, a diferenciade los otros Métodos Geofísicos que operan en o sobre la superficie del terreno, losRegistros se efectúan en el interior de agujeros de hasta un metro de diámetro. Dada lagran información que brindan, son técnicas invaluables para la exploración directa, y laperforación y terminación de pozos de explotación. Existe una gran variedad de Registroscomerciales, Eléctricos: Resistencia, normal, lateral, Eléctrico Enfocado, Doble Eléctrico,Microeléctrico Enfocado, Proximidad, Microesférico Enfocado, Potencial natural, etc.



189

Porosidad: Sónico compensado, Neutrón convensional, Lateral y compensado, DensidadCompensada y Litodensidad, etc.; Acústicos, térmicos, mecánicos, etc.

La información que proporcionan los Registros es múltiple, como es porosidad, saturación,densidad, indicio de la litología y de la permeabilidad, e información para la perforación,

cementación y terminación de pozos de producción. Los datos de registros de pozos degran utilidad para la calibración obtenida en estudios geofísicos de superficie, geología,mecánica de suelos y rocas.

RADIOMETRÍA

Es una técnica comúnmente empleada en la Exploración de Yacimientos de Uranio.Consiste en detectar en un Escintilómetro o Espectrómetro las emisiones de radiacióngamma del núcleo de átomos radioactivos localizados a poca profundidad y se puedenefectuar hasta en vehículos en movimiento. Este es un método que se puede usar paramapeo geológico en áreas cubiertas de vegetación, porque la mayoría de las rocas tieneun nivel de base de radiación gamma. En ocasiones es útil en la determinación de zonasarcillosas cubiertas de rellenos de grano más grueso.

TERMOMETRIA

La Termometría es un método Geofísico poco utilizado por estar fuertemente influenciadopor las variaciones térmicas diarias estacionales, y consiste en medir la distribución detemperaturas sobre la superficie del terreno como auxilio en la definición de flujo hidráulicosubterráneo y detección de zonas fracturadas.

PERCEPCIÓN REMOTA

El avance de la tecnología aeroespacial desarrolló consigo técnicas de detección de laenergía electromagnética reflejada o emitida por rasgos terrestres ubicados a distanciasconsiderables del aparato detector; tales técnicas se conocen como Percepción Remota.El principio de la Percepción Remota toma en cuenta que todos los objetos emiten oreflejan energía electromagnética, la cual puede ser detectada mediante dispositivosdiseñados de acuerdo a la longitud de onda que se emita o refleje. Los detectores seubican en aviones o satélites; tienen como objetivo almacenar la información obtenida, lacual a su vez es verificada en tierra en algunos puntos de control. Una vez registrada lainformación en imágenes es procesada para llevar a cabo una interpretación acorde a lasnecesidades de nuestra aplicación. Por su naturaleza la Percepción Remota tieneaplicaciones multidisciplinarias como control forestal, agrícola, hidrografía, etc. Enexploración se utiliza para la localización de manifestaciones geotérmicas superficiales,determinación de rasgos geomorfológicos, tectónicos y localización de depósitosminerales.

La Percepción Remota se podría considerar como una técnica de la planeación óptima deuna investigación del suelo y subsuelo.



190

COMENTARIOS

El empleo de los métodos geofísicos en una herramienta invaluable en el estudio delsubsuelo, sea con fines de exploración o en la solución de problemas geotécnicos. Con laayuda de perforaciones es posible abatir costos pues se puede extender a zonas vecinas

la información obtenida en el barreno (litología, propiedad física). La elección a emplear esuna tarea difícil de resolver pues hay que tomar en cuenta aspectos tan disimilares comoeconómicos y técnicos. Los factores técnicos que se deben tomar en cuenta para lacorrecta aplicación de un método geofísico son de índole diversas tales como: objetivo,información del área, propiedad física a emplear que define el método, elección de lamodalidad a utilizar, técnicas de campo, técnica de gabinete e interpretación, topografía,geología, tiempo de ejecución del estudio, precisión en el objetivo, resolutividad delmétodo, costo, logística, clima, etc. Los procedimientos más comunes para la ejecuciónde un estudio geofísico son las siguientes:

I) Planteamiento del problema en términos geológicos y geotécnicos.II) Recopilación de información de toda índole del área por estudiar.III) Elección del método y su modalidad.IV) Programación y Ejecución del trabajo de campo.V) Procesamiento de la información.VI) Interpretación Geofísica y correlación Geológica-Geotécnica-Geofísica.

Por supuesto, es sano que en ocasiones exista una retroalimentación de una etapa a lasanteriores. La calidad del estudio estará en función directa de lo obtenido en formaindividual. Otro aspecto importante es el control de calidad. Actualmente, los EstudiosGeofísicos se efectúan sin pruebas posteriores que definan efectivamente si lo realizadofue lo adecuado: Método, modalidad, trabajo de campo, etc., y además es deseable laretroalimentación entre los resultados posteriores y las observaciones proporcionadas pordatos geofísicos.



191

Tiempos de arriba de laonda longitudinal

80

60

40

20

200

40 60 80 100

V1

V2

V3Trayectoria de

energía sísmicaV3>V2>V1 Velocidades de cadacapa

Tiempo (ms)

Distancia (m)

Equipo de registro

Fuente de energíaDetectores

Sísmica de refracción



192

SISMÓGRAFO

GEOFONO

Método de Down-Hole

Z2

Z1

Z3

PT1 PT2 PT3

V1

V2

V3

CABLEDE

CONEXIÓN

SUPERFICIEDELMAR

TRAYECTORIADEONDAS

Tendido sísmico con arreglo vertical



193

BATERIA+

SISMÓGRAFO12 CANALES

DETONADOR

P U N T O D E

T .

Método de Up-Hole



194

+BATERIA

SISMÓGRAFO12 CANALES

DETONADOR

P U N T O D E

T .

S I S

M O D E T E C T O R

Método de Cross-Hole



195

POZO DE EMISIÓN

POZO DE

RECEPCIÓN

SISMÓGRAFO

POSICIÓN DE GEOFONOSSUBSECUENTES

GEOFONOS

TRAYECTORIAS DE

LAS ONDASSISMICAS

PUNTO DETIRO

PUNTOS DETIROSUBSECUENTES

Estudio de Tomografía Sísmica

Vo=600 m/s

V1=300 m/s

V2=1800 m/s

V3=3600 m/s

Vo

V2

V3

h1

h2

h0

h1

h2

a) b)

Fig. 4. Un estrato intercalado en otros de mayor velocidad de propagación de una onda sísmica, a) puede ser causa de error porexceso en la determinación de profundidades b) (3).



197

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 101-8 -6 -4 -2 2 4 6 8 -2 -4 -

Metales Calcopirita Margas AnhidritaSal Gema

CinabrioFeldespatos

Azufre

Cuarzo

Mica

Pirrotita Galena

Grafito

Pirita y Magnetita

Arcillas

Calizas yAreniscas

Limos

Arenas

GravasPizarrasGrafitosas Rocas hipogénicas

y metamorficasAgua demar Agua dulce

Blenda

REISTIVIDAD EN OHMIOS-METRO

Gráfica de los márgenes de variación más comunes en algunas rocas y minerales. La figuración, impregnación de agua salada etc.

Pueden extender estos límites

LINEAS DE CORRIENTE

LINEAS EQUIPOTENCIALES

A

B

M

N

A,B ELECTRODOS DE CORRIENTE (TRANSMISIÓN)

M,N ELECTRODOS DE POTENCIA (RECEPCIÓN)

Dispositivo Schlumberger



198

RECEPTOR

TRANSMISOR

A M N B

SONDEO VERTICAL TIPO WENNER

A Y B ELECTRODOS DE CORRIENTEM Y N ELECTRODOS DE POTENCIAL

RECEPTORTRANSMISORSEPARACIÓN ELECTRÓNICA

RT

Sondeo eléctrico tipo Wenner. Electrodos de corriente (A y B), Electrodos de potencial (M y N), receptor(R), transmisor (T), Separación

electrónica (o).

TRANSMISOR

M Y N ELECTRODOS DE POTENCIALA Y B ELECTRODOS DE CORRIENTE

SONDEO ELÉCTRICO VERTICALTRIELECTRODICO SEMI-SCHLUMBERGER

RECEPTOR

RT

RECEPTOR

A M

TRANSMISOR

N BÓ

L1,L2,L3 RESISTIVIDADES

L1

L2

L3

Sonde eléctrico Schlumberger.



199

5m

2.5mA B

A B

SEGUNDOBARRIDO

PRIMER

BARRIDO

2.5

5.0

7.5

10.0

M N NM M N

MN

NM N

M

LECTURAS PARA LA ÚLT

POSICIÓN DE LA LINEA

LECTURAS PARA LA SEGUNDA

POSICIÓN DE ELECTRODOSLECTURAS PARA LA PRIMERA

POSICIÓN DE ELECTRODOS

P R O F U N D I D A D ( m )

A B

ELECTRODOS DE CORRIENTE

ELECTRODOS DE POTENCIAL

LECTURAS OBTENIDAS EN EL PRIMER BARRIDO

LECTURAS OBTENIDAS EN EL SEGUNDO BARRIDO

M N

Método Calicata Dipolar



200

M N

A B

A M N M N B

PERFIL DEL MOVIMIENTO DE LOSELECTRODOS DE POTENCIAL

DISTRIBUCIÓN DE LAS ´INEAS DE

MEDICIÓN

FIGURA CALICATAS ELECTRICAS EN BLOQUES



201

APPARENT RESISTIVITY (ohm-m)

1000

100

10

10

10

4 5

1

10

100

1000

104

S

PACING

(m)

T

EP-A

Depth (mx100)

RESISTIVITY(ohm-m)

10

100

1000

104

3 2 1 0



202

E1000

100

10

1 10 100 1000 104

SPACING (m)

A P P A

R E N T R E S I S T I V I T Y ( o h m - m

)



203

TABLA GEOFISICA DE DESCRICIÓN DE ROCA

TIPO DEROCA CARCTER STICASGEOFÍSICAS DESCRIPCIÓN DE LA ROCA

AVELOCIDAD Y RESISTIVIDAD

ALTAROCA COMPACTA, POCO FRACTURADA

BVELOCIDAD ALTA Y

RESISTIVIDAD MEDIA

ROCA COMPACTA, POCO FRACTURADA,CON CIERTA PERMEABILIDAD Y POCO

ALTERADA

CVELOCIDAD ALTA YRESISTIVIDAD BAJA

ROCA COMPACATA, POCO FRACTURADA,PERMEABLE Y/O CON CONTENIDO DE

ARCILLA DENTRO DEL FRACTURAMIENTO

DVELOCIDAD MEDIA YRESISTIVIDAD ALTA

ROCA COMPACTA, FRACTURADA Y POCO ALTERADA

E VELOCIDAD MEDIA YRESISTIVIDAD ALTA, MEDIA,Y BAJA

ROCA COMPACTA, FRACTURADA Y

ALTERADA CON CIERTA PERMEABILIDADO ARGILITIZACIÓN.(ZONA DE

COMPRESIÓN DE LA MADERA)

FVELOCIDAD BAJA Y

RESISTIVIDAD ALTA, MEDIAY BAJA

ROCA DE MALA CALIDAD(DECOMPRIMIDA, MUY FRACTURADA,

CON CIERTA PERMEABILIDAD, O ALTERADA POR ARGILITIZACIÓN, TALUD ,

SUELO)

Z.N.C.ZONA NO

CORRELACIONABLE(ANOMALA)

CORRESPONDE A MEDICIONESGEOFÍSICAS NO CORRELACIONABLESDENTRO DEL ÁREA ESTUDIADA Y QUE

PUEDEN SER CAUSADAS POR ZONAS DEINTENSO FRACTURAMIENTO O

ESTRUCTURAS COMO FALLAS O DIQUES.

RANGOS

VELOCIDAD ALTA MAYOR DE 3500 M/S RESISTIVIDAD ALTA DE 500 ohms-m

VELOCIDAD MEDIA DE 2000 A 3500 M/S RESISTIVIDAD MEDIA DE 200 A 500 ohms-m

VELOCIDAD BAJA MENOR DE 2000 M/S resistividad baja de 2000 ohm-m



204

TABLA DE RESISTIVIDADES

RESISTIVIDADES COMPRENDIDAS ENTRE 7 Y 15 M.

CORRESPONDEN CON UN MATERIAL ARCILLO-LIMOSO O

ARCILLO-ARENOSO, EN DONDE DEBERÍA PREDOMINAR ELELEMENTO FINITO.LA PERMEABILIDAD DE ESTOS MATERIALES

DEBERÁN SER BAJA A MUY BAJA.

CORRESPONDEN GENERALMENTE CON UNOS DEPÓSITOS

GRANULARES TODAVÍA ARCILLOSOS, EL PORCENTAJE DEARCILLA DISMINUYE A MEDIDA QUE VA CRECIENDO LARESISTIVIDAD. LA PERMEABILIDAD DE ESTOS HORIZONTES ESBAJA PARA LOS VALORES INFERIORES Y MEJORA CON ELINCREMENTO DE LA RESISTIVIDAD.


SE ASOCIAN CON MATERIALES GRANULARES(ARENAS,GRAVAS,BOLETOS,ETC.) EN DONDE EL PORCENTAJEDE ARCILLA DEBE SER BASTANTE REDUCIDO, LAPERMEABILIDAD DE ESTOS ESTRATOS DEBE SER VARIABLE,GENERALMENTE BUENA.


DEBEN CORRESPONDER CON MATERIALES TOBÁCEOS

COMPACTOS Y/O CEMENTADOS, BRECHAS VOLCÁNICAS Y

SEGÚN EL LUGAR, CON DERRAMES BASÁLTICOS,EN EL CASO DELA TOBA, LA PERMEABILIDAD DEBE SER MUY BAJA;SI SE

TRATAN DE BRECHAS VOLCÁNICAS O BASALTOS, LAS

FRACTURAS PUEDEN SERVIR COMO DUCTOS AL AGUASUBTERRANEA.


CORRESPONDEN CON FORMACIONES ROCOSAS VOLCÁNICAS

(BASALTO,RIOLITA,ANDESITA) IMPERMEABLES SALVO ENFRACTURAS, SOBRE TODO PARA LOS BASALTOS.


CORRESPONDEN CON DEFORMACIONES ROCOSAS RIOLITICAS OANDESITICAS, PRACTICAMENTE IMPERMEABLES.

PROFUNDIDAD TEÓRICA ALCANZADA POR EL

ESTUDIO.CONTACTOS INTRAFORMACIONAL,ZONA DETRANSICIÓN RESISTIVA.




205

CAPÍTULO 10

BANCOS DE MATERIAL DE ENROCAMIENTO PARA ROMPEOLAS

INTRODUCCIÓN

Durante la última década, se han llevado a cabo en diferentes países grandes programaspara la construcción de puertos, darsenas, obras de protección costera y otras estructurasmarinas.

Con relativa frecuencia, las obras se localizan en sitios difíciles, donde el material deconstrucción puede ser complicado de obtener o donde las condiciones marinas yclimatológicas pueden ser extremosas. Poco se ha escrito con relación a la geología y alsuministro de roca natural para estos fines de construcción, mientras que por otro lado,existe una amplia bibliografía sobre el concreto. En este trabajo se hace un resumenpreeliminar del material utilizado, en particular de la durabilidad de las rocas.

La durabilidad se define como habilidad de un material de soportar las fuerzas delintemperismo. Estas fuerzas pueden ser de índole químico o físico. El ambiente marino seconsidera como uno de los más agresivos para las obras civiles.

A continuación se describen las cuatro zonas principales de intemperismo y que operanen el medio marino costero: (figura 1).

ZONA I

Esta zona se caracteriza por estar encima el nivel de la ola máxima, la superficie de las

estructuras es afectada por el agua que salpica a consecuencia del oleaje así como poruna abrasión ocasionada por la acción del viento y la arena. Está zona se encuentracubierta, generalmente, por sales debidas al constante humedecimiento y evaporación delagua. Los agentes principales del intemperísmo son subaéreos y los factoresclimatológicos juegan un papel importante.

ZONA II

La zona II se localiza entre el pleamar y el nivel de la ola máxima. En esta zona, las olaslavan y erosionan por abrasión y existe un humedecimiento y secado discontinuo ademásel intemperismo subaéreo es todavía un factor importante. Sin embargo, las fuerzas

existentes de secado y humedecimiento son los factores más importantes.El intemperismo más severo se desarrolla en la zona de intermarea; en esta zona el metaly el concreto se corroen y deterioran más intensamente.



206

H U M E D E C I M I E N T O I N T E R M I T E N T E

Z O N A D E D I S P E R S I O N D E S A L ,

Y D E L L U V I A

C I C L I C O P O R E L A G U A D E M A R

( F L U C T U A C I O N D E M A R E A )

D E A G U A D E M A R Y L L U V I A

Z O N A D E H U M E D E C I M I E N T O Y

S E C A D O

Z O N A D E H U M E D E C I M I E N T O Y

S E C A D O

N I V E L M A X I M O

D E

O L A H I P O T E T I C

A

Z O N A I

Z O N A I I

Z O

N A P E R M E A B L E M E N T E

S U

M E R G I D A

F I G U R A 1

A M B I E N T E C O S T E R O M

A R I N O

L A S C U A T R O Z O N A S P R I N C

I P A L E S D E

N I V E L M I N I M O D E

O L A H I P O T E T I C A

B A J A M A R

Z O N A I I I

Z O N A I V

ZONA III

En está zona organismos marinos locales juegan un papel importante. Así mismo losagentes subaéreos son menos efectivos, siendo las fuerzas más severas las producidaspor el ciclo de humedecimiento y secado es inexistente o muy limitado.



208

W 1 0

( V A R I A )

P U E R T O

H

N I V E L M I N I M O D E M A R E A

C O N T R A E L O L E A J E

M U R O D E C O N C R E T O

B L O Q U E O C

A P U C H O N

D E C O N C R E T O

M A R A B I E R T O

P E R F I L D E L A C O R A Z A P R I M A

R I A

P E R F I L D E L A C O R A Z A

P R I M A R I A

D E C O N C R E T O

C U B I E R T A E X T E R N A

N I V E L M A X I M O D E M A R E A

W

= P E S O D E L M A T E R I A L D E C O R A Z A

H

= A L T U R A D E O L A D E D I S E Ñ O

O L A D E L

M O D E L O

E S T U D I A D O

1 . 5 H

F I L T R O S S I S E R E Q U I E R E

P

A R A L A P R O T E C C I O N D E L

L A V A D O D E L O S F I N O S D E L

N U C L E O

C A P A S E C U N D A R I A

S E C C I O N

T R A N S V E R S A L D E L R O M P

E O L A S

N U C L E O

F I G U R A 2

D E L A N T A L S I E S

N E C E S A R I O

1 . 5

1



209

La estabilidad de un rompeolas esta en función del peso y forma de los bloquesindividuales, así como de la pendiente del talud; considerando que estos fragmentosfueron colocados adecuadamente formando un enlace firme entre ellos y el núcleo. Se hapodido establecer que de acuerdo al peso de los fragmentos individuales de roca, lapendiente del talud puede variar; así pues, para las mismas condiciones de oleaje las

pendientes más empinadas requieren de bloques más pesados y para pendientes mástendidas, rocas más ligeras.

La roca de la coraza puede consistir de una o varias capas, con las rocas más pesadashacia el-exterior. Hacia el lado de mar abierto, la coraza se lleva a una profundidad de 1.5veces del diseño de la altura de la ola significativa; por debajo de este nivel, la coraza sepuede reducir de peso y/o aumentarse la pendiente.

El tamaño de las rocas que se requieren para la corona y hacia el lado protegido,dependen de las funciones particulares del rompeolas. En el caso que no se requiera elacceso al rompeolas y que el diseño acepte que las olas sobrepasen la corona, entoncesserá necesario colocar el mismo tamaño de rocas que se utiliza para el lado exterior de laestructura. En el caso de que se desee un muro de contención contra el oleaje y queéstas no rebasen la corona, así como la de un camino de acceso al rompeolas, el tamañode las rocas de la coraza pueden reducirse considerablemente hacia el lado protegido dela estructura.

La roca exterior de la estructura debe colocarse con mucho cuidado, tratando de quequede bien entrelazada y evitar los huecos al máximo. Esta labor puede ser difícil en lapráctica si los fragmentos presentan formas laminares, alargadas e irregulares. En el casode que los finos del núcleo, se laven la estructura puede perder soporte debajo de lacoraza y por lo tanto, llegar a fallar.

Es conveniente proteger al núcleo por medio de un filtro que prevenga la perdida de losfinos, a través de los huecos de las capas subyacentes, pero que además, cumpla con lascondiciones adecuadas de drenaje. El diseñador deberá de usar su buen Juicio; paraespecificar el peso y forma de los bloques, la pendiente en que se debe de tender laestructura, definir el método de construcción y anticiparse a predecir el porcentaje deformas y tamaños de bloques que la cantera a explotar pueda suministrar. Por ejemplo, enel caso de una coraza para un rompeolas, es poco significativo especificar roca de 20 ton.y una pendiente de 1:2, si la disponibilidad de material con esta característica es mínimo,mientras que para una pendiente de 1:3 e1 peso de los bloques se puede reducir al ordende las 10 ton., simplificando considerablemente la posibilidad que la cantera puedasuministrar bloques de este peso.

En el caso de que una cantera no este aún en operación, es casi imposible precisar, elporcentaje de diferentes clases (formas y tamaños) de roca que se pueda producir. Sinembargo, cualquier información que se pueda obtener al respecto, siempre puede ser útilpara el diseño del rompeolas.

Durante la construcción, la pendiente del rompeolas puede hasta cierto grado modificarse,una vez, que se ha adquirido conocimiento y experiencia de la cantera en cuestión.



210

Desde el punto de vista de estabilidad, las estructuras con pendientes suaves son másaconsejables, sin embargo, el volumen del núcleo y de las capas subsecuentes seincrementan considerablemente, dificultándose además el método de construcción, yaque tendrá que realizarse también desde el mar. Por otro lado, es mucho más económicoconstruir una estructura con una pendiente fuerte y con roca disponible de un sitio

cercano. En el caso de no contar con suficiente cantidad de bloques de roca, con lascaracterísticas adecuadas, puede llegar a ser más barato disponer en última instancia, debloques de concreto, que tender indefinidamente la pendiente del talud.

De acuerdo a ciertos estudios, se ha definido que los bloques de roca de menos de, 20toneladas son todavía económicamente manipulables, mientras que por otro lado, bloquesde mayor tamaño son también difíciles de producir en gran cantidad.

CARACTERISTICAS DE LAS ROCAS

La resistencia a la abrasión, la resistencia a la fractura bajo impacto y la resistencia alintemperismo, son las propiedades principales que una roca debe de poseer para resistira las inclemencias del tiempo.

La tabla 1 muestra algunas pruebas que pueden guiar para determinar las característicasde durabilidad de las rocas sujetas al ambiente marino.

Estas pruebas, sin embargo, están diseñadas principalmente para analizar elcomportamiento de los agregados y deberá tomarse mucho cuidado cuando losresultados se extrapolen para otros fines.

En este caso las rocas se fragmentan por medio de quebradoras o por medios manuales,pero existe una influencia muy grande dependiendo del tamaño de las partículas (Dhir et.

Al. 1971) con la resistencia sin embargo se considera que todas estas pruebas aportaninformación valiosa del comportamiento potencial de la roca. Las pruebas másimportantes son a través de la observación del comportamiento y desempeño de unmismo tipo de roca. El estudio petrográfico, es decir, un estudio geológico minucioso de laroca bajo el microscopio, y por otras técnicas, es de particular ayuda en manos expertas.

Deer y Miller (1966) han propuesto una clasificación ya comúnmente aceptado para rocaintacta y que afecta ala resistencia de la roca bajo impacto (es decir, resistencia alfracturamiento).

Esta clasificación se basa en la comparación del modulo de Young y a la resistencia a lacompresión uniaxial. Estos autores establecen que las rocas exceden a 225 MN/m2 yaquellas que lo logren, son generalmente carente de poros con una textura como lascuarcitas, doleritas y basaltos densos. Las rocas que se encuentran dentro del rango de110 a 210 MN/m2 corresponden a la mayoría de las rocas ígneas, metamórficasresistentes y sedimentarias bien cementadas. Se considera que estas rocas son de altaresistencia, y la mayoría de las calizas y dolomitas fallan a lo largo de este rango



211

TABLA 1

PROPIEDAD DE LA ROCA PRUEBA DE MATERIAL ROCOSOPRUEBA DE REPRESENTACION

SIMULADA

PRUEBA DE ABRASION A AGREGADO (BS 812)+ PRUEBA DE ABRASIONPRUEBA DE METRICION A

AGREGADO ( BS 812) A AGREGADO ( BS 812)+PRUEBA DE IMPACTO A AGREGADO( BS 812)*

DUREZA RESISTENCIA A LAABRASIÓN

PRUEBA DE TRITURA A AGREGADO( BS 812)* ABRASION LOS ANGELESPULIDO ESTIMADO DE LA ROCA ( BS812)+ ( AST-C-535)DUREZA A LA RAYA ( ASTM C-235)+GRAVEDAD ESPECIFICA ( BS 812)**

PRUEBA DE IMPACTO A AGREGADO( BS 812)* CAIDA DE ATRÁS DE UNAPRUEBA DE TRITURACION DE

AGREGADO (BS 812)* CAMIONETA*ESFUERZO COMPRESIVO NOCONFINADO (AGUA DE PRUEBA COMO PARA MATERIAL

TENACIDAD RESISTENCIA A LAFRACTURA BAJO IMPACTO MAR Y AGUA FRESCA SECO YMOJADO) ROCOSO PERO ANTES(BS 812)** DE LAS PRUEBASPRUEBA DE CARGA PUNTUAL(BROCH Y FRANLIN1972)**MARTILLO DE SCHMIDT (DUNCAN1969)*

EXAMEN PETROGRAFICO (c.f. ASTMC-295)**

ANALISIS MINERAL DE ARCILLAS(RAYOS, DTA,

AZUL DE METILENO, ETC.)*FIRMEZA RESISTENCIA AL

INTEMPERISMO Y LA DURABILIDAD ABSORSION DE AGUA Y

ABSORSION APARENTE,

FIRMEZA AL INTEMPERISMO(ASTM)** CICLOS DE SECADO Y

MOJADO (AGUA SALADA Y AGUA

FRESCA)SUPERFICIE DE SATURACION SECAY GRAVEDADESPECIFICA SECA AL HORNO

(BS 812 Y OTROS)**

** LA PRUEBA POTENCIAL MAS APROPIADA PARAROCAS DE ROMPEOLAS BS- NORMA BRITSH ESTÁNDAR* PRUEBAS UTILES ASTM- NORMA DE LA AMERICAN+ PUEDEN SER ENGA OSAS SOCIETY OF TESTING

MATERIALS

PRUEBAS QUE PUEDEN AYUDAR A EVALUAR LAS CARACTERISTICASDE DURABILIDAD DE LA ROCA, EN UNA SITUACION MARINA

Las rocas varían entre los 60 a 110 MN/m2 se consideran como de resistencia media eincluye la mayoría de las ocas sedimentarías de tipo porosas y metamórficas de tipofoliadas. Las rocas que presentan valores menores de resistencia, son por lo generalrocas muy porosas, rocas sedimentarias pobremente cementadas o rocas ígneas ymetamórficas muy foliadas. Las rocas que presentan todavía menor resistencia, deberánestar muy intemperizadas y pueden ser de cualquier origen. Desde el punto de vista de ladurabilidad, el contenido de minerales secundarios de tipo arcilloso, son de particularimportancia, ya que el efecto al intemperismo sobre estos es severo. Las microfracturasreducen también considerablemente la resistencia de las rocas. Entre las pruebas mássignificativas de la resistencia al intemperismo de una roca, son las que se realizan con



212

sulfatos y la absorción pero ambas deberán interpretarse con cuidado. Un estudiopetrográfico, por lo general, puede indicar el grado de intemperismo que presente unaroca. Sin embargo, posiblemente el estudio mas adecuado sea la de investigar casoshistóricos de estructuras cercanas, que han utilizado la misma roca y evaluar elcomportamiento de ésta a través de los años. Deben tomarse también en consideración

que las condiciones de servicio sean semejantes, ya que de otra forma la comparaciónseria incorrecta.

Las tablas 2 y 3 resumen ca5acteristicas importantes de las rocas sedimentarias, ígneas ymetamórficas. Las tablas son muy generales, pero describen algunas característicasgeológicas. Las rocas sedimentarias por lo general, tienen una resistencia que varia debaja a alta; la roca que tenga una textura bien enlazada, la resistencia será alta. En elcaso que sea porosa y/o tenga un cementante pobre, la resistencia disminuye. Las rocasígneas tienen, por lo general, resistencia que varia de media a alta, y en algunos casosmuy altos. Entre las características que reducen la resistencia de las rocas ígneas estánlas que tiene una textura vesicular, granos de diferente tamaño, foliadas, minerales pocoresistentes y laminares.

En general las rocas ígneas son propensas a tener un intemperismo subaéreo profundo(dentro de una escala de tiempo geológico), especialmente en lugares calientes yhúmedos. Estos mismos comentarios se aplican a las rocas metamórficas, muchas de lascuales, también se ven seriamente afectadas por el intemperismo subaéreo. Las rocasmetamórficas tienen un rango con respecto a la resistencia que varia de bajo a alto y enalgunos casos a muy alto. Este rango de resistencia se debe al tamaño de los granos,porosidad, proporción de minerales suaves y en particular, a la intensidad de pizarrosidad(crucero foliación) que algunas rocas metamórficas presentan.

La anisotropía de al fabrica de la roca influye considerablemente al comportamiento,cuando una carga axial se aplica a lo largo o perpendicular al plano de foliación.



213

TABLA 2CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS SIMPLES DE ROCAS SEDIMENTARIAS MÁS COMUNES

Tipo deroca.

Rangotípico detamaños degranos(mm)

Huecosvisibles Textura

Estadorelativo deintemperismo.

Rocas ínterestratificadas.

Espaciamiento típico defracturas. (m)

Formas típicasde fragmentos.

Distribucióntípica.

Cuarcita 2 – 0.02 Muy raro Fresca Arenisca lilitaslutitas.

0.1 – 5 Equidimensional tabular

Zonaslocales.

Areniscas

2 – 0.06 No comúnperoocasionalmente

Fresca amoderada

Limonitas lutitas. 0.1 – 10 Equidimensional tabular

Zonasextensas.

Limonitas

0.006 – 0.002

Muy raro Fresca amoderada.

Arenisca lutitascalizas.

0.05 – 1 Tabular Zonasextensas.

Lutitas 0.002 Muy raro Fresca aaltamente.

Areniscalimonitas calizas.

0.005 – 0.01 Muy tabular Zonasextensas.

Calizas 2 – 0.01 Comúnmentegrandes apequeñas.

Fresca Margas lutitas 0.05 – 1 Equidimensional tabular Zonasextensas

Creta 0.01 Raro Fresca amoderada.

Calizas margas 0.1 - 2 Tabularequidimensional

Zonasextensas

TABLA 3CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS SIMPLES DE ROCAS IGNEAS MÁS COMUNES

Tipo deroca.

Rango típico detamaños degranos (mm)

Huecos visiblesEstado relativo deintemperismo.

Espaciamientotípico defracturas. (m)

Formas típicas defragmentos.

Distribucióntípica.

Granito 20 – 2 Comúnmentepequeños omicroscópicos.

Fresco a moderado 0.5 – 10 Equidimensional Zonasmontañosaso escudosextensos.

Dioritas 3 – 1 Raro Poco a moderado 0.2 – 10 Equidimensionaltabular

Zonaslocales.

Gabro 5 – 2 Muy raro Fresco a altamente 0.5 – 10 Equidimensional Zonasmontañosaslocales.

Riolitas Visibles conayuda de lupa.

Raro Fresco a poco 0.1 – 2 Equidimensionalprolado tabular

Zonaslocales.

Andesitas Visibles con

ayuda de lupa.

Pequeños a

grandes raramente

Poco a moderado 0.2 – 3 Tabular prolado. Superficies

extensas

Basaltos Visibles conayuda de lupa.

Pequeños ygrandescomúnmente

Fresca a altamente 0.2 – 3 Tabular proladoequidimensional

Superficiesextensas

Serpentinas

Visibles conayuda de lupa.

Ninguno Poco a altamente 0.05 - 1 equidimensional Zonasmontañosaslocales.



214

CARACTERÍSTICAS INGENIERILES SIMPLES DE ROCAS SEDIMENTARIAS, IGNEAS Y METAMORFICAS COMUNES, JUNTOCON NOTAS DE SU COMPORTAMIENTO MATERIAL DE ENROCAMIENTO PARA RMPEOLAS.

TABLA 4

RocasVel.

SísmicaKm/seg

DensidadMg/m3

Absorciónde aguaBS 812

Prueba detrituración

deagregados

(BS 812)

Esfuerzo ala

compresiónUniaxial-

seco(MN/m2)

Notas

Cuarcita

AreniscaLimolitaLutita

Caliza

Creta

6.0-6.2

1.4-5.0

2.3-4.7

2.8-6.4

1.7-4.2

2.4-2.8

2.1-2.72.1-2.32.0-2.5

2.2-2.6

1.8-2.3

0.1-2.0

1.0-15.0

1.0-10.0

0.2-5.0

2.0-3.0

8.0-25.0

15.0-35.015.0-35.0

12.0-40.0

30-50

150-300

10-1705-1005-100

30-250

5-75

Generalmente buenocomo coraza y núcleoes bueno como coraza y núcleopuede ser buen núcleopuede ser conveniente para núcleoocasionalmenteusualmente bueno como coraza ynúcleo pero en casos de rocas de tiposuave pueden ser malospuede ser conveniente para núcleo

Granito

DioritaGabroRiolita

AndesitaBasalto

Serpentina

5.0-6.0

5.8-6.46.4-6.6

2.6-5.25.4-6.4

6.0-6.9

2.5-2.8

2.7-3.052.8-3.12.4-2.62.2-2.52.7-3.0

2.7-3.1

0.2-2.0

1.0-5.01.0-8.00.2-10.00.1-2.0

10.0-25.0

12.0-30.08.0-25.016.0-35.018.0-40.012.0-25.0

14.0-35.0

100-250

150-300150-30075-20050-200150-300

Usualmente buenocomo coraza y núcleo,tener cuidado con laroca intemperizada.

conveniente para núcleoconveniente para coraza y núcleoa menudo buen como coraza y núcleo,cuidado con roca intemperizada.

A menudo bueno como coraza ynúcleo.

PizarraFilitaEsquisto

Gneis

Mármol

2.3-4.7

4.2-5.0

3.3-7.5

3.7-6.9

2.6-2.8

2.8-3.0

2.6-2.7

0.5-6.00.4-5.0

0.5-5.0

0.5-2.0

16.0-35.022.0-40.020.0-35.0

14.0-30.0

20.0-35.0

100-20040-15050-150

50-200

100-275

Conveniente como núcleo

Conveniente como coraza o núcleo A menudo bueno como coraza y núcleopero cuidado con la rocaintemperizada.

Bueno como coraza y núcleo

Notas:

-Solo las rocas frescas y ligeramente/moderadamente intemperizadas pueden ser consideradas.-Generalmente será ligeramente mas baja que las superficies saturadas y después secas-Todos los datos están dados en rangos de rocas típicas; no en extremos-Espacios en la tabla, debido a datos insuficientes-Esta prueba es representativa de agregados.

Según Fookes y Poolew (1981)

La tabla 4 muestra algunas características ingenieriles de las rocas y el comportamiento yfunción cuando se emplean como material de enrocamiento en rompeolas. Se presentan,así mismo, rangos de valores del comportamiento típico. El valor inferior, en la mayoría delos casos, indica que la roca esta intemperizada hasta cierto grado, mientras que el valorsuperior, que la roca esta en condiciones frescas; pueden encontrarse desde luego,valores extremos fuera de estos casos.



215

La erosión sobre una superficie de una roca puede ocurrir por abrasión, por el impacto dearena por efecto de la acción del viento o inclusive por pequeños movimientos entre dosbloques ocasionados por el oleaje de una tormenta. La resistencia a la abrasión, es unproceso complejo que se relaciona al grado de dureza (escala de dureza de Mohs) de la

proporción de minerales y las características petrográficas de las rocas; es decir, eltamaño de los granos la naturaleza del enlace intergranular, la proporción, distribución ydel crucero de los minerales, y el grado de alteración por intemperismo de los minerales.

En las rocas sedimentarias y entre aquellas que sus minerales sean poco resistentes ytengan crucero, como pueden ser las calizas y dolomitas, están expuestas a un desgasterápido.

Por otro lado, la resistencia a la abrasión de una roca silícea, que por lo general es alta,se puede ver afectada, ya que es generalmente dependiente al enlace intergranular. Porejemplo, es por todos conocido que el pedernal es altamente resistente, mientras que, porotro lado, una arenisca constituida de granos de pedernal puede ser poco resistente a laerosión, en el caso, de que este pobremente cementada.

En las rocas sedimentarias con minerales de composición mezclada como las arkosa y lasgrauwackas, la resistencia a la abrasión varia y depende exclusivamente del enlaceintergranular que presenten. Las rocas ígneas ácidas, tal como los granitos y las riolitasfrescas, tienden a resistir a la abrasión mejor que las rocas básicas, que presentan un altocontenido de minerales ferromagnesiano. Los minerales ferromagesianos son por logeneral menos duros que el cuarzo y los feldespatos alcalinos y, además, es común queestén afectados por microfracturas y cruceros. Estos minerales, se forman a muy altatemperatura y son metaestables a temperaturas normales, por lo que se encuentransujeto a un rápido intemperismo químico, perdiendo significativamente la resistenciacuando el enlace intergranular se ha deteriorado la textura vesicular reduce también laresistencia de las rocas.

En el caso de las rocas metamórficas se puede aplicar los mismos comentarios, enparticular los gneisses se asemejan a las rocas ácidas e intermedias mientras que loshornfels, a las cuarcitas. Ambos tipos de rocas metamórficas por su textura enlazada, sonresistentes a la abrasión.

Las rocas que presentan foliación o esquistosidad, tal como los esquistos son por logeneral moderadamente resistentes a la abrasión.



216

LORAMIENTOSIDEALIZADOS DEMACIZOSROCOSOS.

ILUSTRANDOFORMASCOMUNES DE

EROSIÓN.

C.-LAMINAR

B.-TABULAR(OBLADA)

D.-IRREGULAR

A.-EQUIDIMENSIONAL

E.-COLUMNAR(PROLADA

O ELONGADA)

FORMA Y TAMAÑO DE BLOQUES DE ROCA PARA ROMPEOLAS

La mayoría de las rocas que se encuentran en la naturaleza, el intemperismo diferencial,influye sustancialmente en las formas y en ocasiones del tamaño de las rocas, que desde

luego están directamente relacionadas con el espaciamiento y orientación de lasdiscontinuidades como son la estratificación y las diaclasas. La figura 3, ilustra las formasque adquieren las rocas en las canteras. Como se observa en la figura, existe ciertarelación entre el espaciamiento de las diaclasas y el tamaño de los fragmentos. El termino―masivo‖, y que es ampliamente aceptado, se utiliza para macizos rocosos carentes dediaclasas y/o estratificación.Este tipo de cantera, será capaz de suministrar los fragmentos más grandes.

Generalmente, el tamaño de una roca que un a cantera puede producir será dependientede la estratificación y el espaciamiento de las demás discontinuidades. En el caso detener un banco de roca con estratificación y diaclasas muy cerradas, este nunca será

capaz de producir bloques de roca de tamaños grandes, como los que se requieren parala coraza primaria de un rompeolas.

El modo de cómo se explote un cantera, es decir, tomando en consideración laprofundidad y espaciamiento de barrenación, carga de explosivos, etc. Controla también,hasta cierto modo, el tamaño de bloques de roca. No obstante, la explotación debellevarse a cabo con mucho cuidado, en el conjunto con el conocimiento del patrónestructural existente para obtener y optimizar el tamaño de las rocas requeridas. Tambiéndebe tomarse mucho cuidado, durante el registro de la información y determinación,cuando las fracturas han sido ―soldadas‖ por material cementante, pobremente soldados o



217

simplemente abiertas. Durante la investigación de una cantera para material deenrocamiento, deberá tomarse en consideración el tipo de roca, la resistencia, ladensidad, el estado de intemperismo y las características de las discontinuidades, comopuede ser la orientación, numero de familias, espaciamiento, continuidad y abertura.

Será de mucha ayuda estudiar las canteras próximas a la zona afloramientos naturales yla evaluación cuidadosa de núcleos de perforación

CLASIFICACIONES DE CAMPO PARA DEFINIR TAMAÑOS Y FORMAS

Como se ha mencionado anteriormente, el tamaño refleja las características petrológicasy estructurales de las rocas. De acuerdo a la Bristish Standard (BS812) las formas de losfragmentos de roca los agrupan en seis categorías:

Para concreto, más o menos equidimensionales:-Redondeados-Irregulares-Angulares-Laminares-Elongados-Laminar elongados

En las categorías consideradas entre las redondeadas, irregulares y angulares, laspartículas se aproximan a fragmentos equidimensionales y para muchos proyectospueden agruparse juntos. Sin embargo, los conceptos de la ―British Standard‖ estándiseñados principalmente para los agregados de concreto y pavimentos, y seria adecuadoutilizar otros lineamientos para la clasificación de material para rompeolas.

La clasificación de formas de fragmento de roca para caminos según Zings (1935),Roesslein (14941) y Lees (1964 a) se basan en cuatro tipos.

Estas formas requieren de una medición directa de los fragmentos individuales. La figura4 (según, Sing.) muestra la manera geológica clásica de definir las formas de roca.

La figura 5 ilustra con una relación simple el peso de bloques prismáticos. Las graficas dela figura 6, pude utilizarse por un geólogo con bastante provecho, para evaluar la forma yel peso potencial de los bloques que una futura cantera pueda proporcionar. La graficasuperior de la figura 6 permite calcular la gravedad específica de las rocas dentro de unrango que comúnmente ocurre en la naturaleza. Estas graficas también proporcionan elpeso y volumen de las rocas que comúnmente se utilizan en la construcción de losrompeolas. Las graficas inferiores, conociendo de antemano las dimensiones de losbloques por las investigaciones de campo a lo largo de los afloramientos o núcleosrecuperados pueden definir el volumen y por lo tanto, el peso de los bloques de rocas.



218

FIGURA 4

CLASIFICACION DE FORMAS SEGÚN ZINGG.

P= c/b = Longitud menor / Longitud intermedia



219

EXCAVACIÓN

EE - EXTREMADAMENTE ESPACIADASE - ESPACIADASME- MEDIANAMENTE ESPACIADASR - REDUCIDAMENTE ESPACIADASMR- MUY REDUCIDAMENTE ESPACIADASER - EXTREMADAMENTE REDUCIDAS

DRAGADO

Simples Relaciones graficas entre la facilidad de excavación y dragado y la selección de

rocas para rompeolas debido al fracturamiento y resistencia al esfuerzo uniaxial.

ESPECIFICACIONES DE LAS ROCAS PARA ESCOLLERAS

La tabla 5 ilustra las características más importantes que se debe observar durante lainspección de campo en los materiales que se utilizan en los rompeolas y también seenlista una serie de pruebas propuestas. Existe poca información que advierta sobre lasespecificaciones que deba reunir las rocas para rompeolas. Sin embargo, la figura 5propone una guía preliminar para la selección de material de enrocamiento pararompeolas.



220

La secuencia a seguir durante una investigación para localizar el sitio más idóneo ydesarrollar una cantera para explotar material de enrocamiento, en particular paraescolleras, podría ser el siguiente: Se presume que el proyecto se localiza en una zonadonde existe poc9o conocimiento de la fuente de suministro. Obviamente en zonas donde

se tenga mayor conocimiento, no será necesario que se realice una investigación tanintensa.

EXPLORACIÓN DE BANCOSRECONOCIMIENTO

Esta fase preliminar de investigación deberá realizarse fácilmente por un geólogo. Seránecesario, antes que nada, recabar la bibliografía existe de la región de estudio, mapas,fotografías aéreas, informes y conocimiento de proyectos históricos.

Con esta información, se podrá establecer las regiones con mayores posibilidades.

Una vez decidiendo que sitios presentan las mejores posibilidades se realiza una visita dereconocimiento, tanto local como regional, de la zona en cuestión.

Una segunda etapa, consistiría de llevar a cabo un levantamiento geológico y de estaforma establecer la calidad, magnitud y potencialidad de los bancos de roca.

La cartografía deberá incluir los detalles siguientes:

1.- Tipo de litología, resistencia, tamaño de granos, cimentación, densidad, porosidad, etc.

2.- Tipos de discontinuidades. Numero de familias, frecuencias, orientación,espaciamiento, continuidad y abertura, etc. En este caso, la frecuencia de lasdiscontinuidades definirán en gran medida la potencialidad de tamaño de bloques, laorientación definirá las frentes de explotación y la estabilidad de taludes.

3.- Grado de intemperismo. Se deberá definir el espesor y naturaliza del material dedespalme. Es espesor del despalme influye directamente sobre los costos de explotación,como de acarreo. Por otro lado, la profundidad del intemperismo afecta de manerasustancial el suministro de bloques grandes.

4.- Condiciones del nivel de agua. En las canteras, el nivel freático, la permeabilidad delas rocas y el drenaje natural afecta a las operaciones. Estos factores pueden llegar aafectar la vida útil de una determinada cantera, ya que, el bombeo o el desvió del aguapede ser costoso.

5.- Acceso. La cantera deberá contar con un acceso adecuado entre este y laconstrucción.

6.- Muestreo y Pruebas de Cambo y Laboratorio. Deberá realizarse un muestreoadecuado para que a su vez, las pruebas que sé realicen sean representativas de lascondiciones del sitio.



221

INVESTIGACIONES DETALLADAS

Basados en una información preliminar y reconocimiento de campo, se deberá realizaruna investigación mas profunda y detallada de los sitios con mejores perspectivas. Estaetapa de investigación deberá contemplar los siguientes proyectos de estudio:

1.- Programa de perforación. En base a la cartografía geológica deberá realizarse unprograma de perforaciones con recuperación continua de núcleos. De esta forma, seráposible atestiguar la continuidad o cambio en la calidad y cantidad de las rocasadecuadas.

2.- Programa de Exploración Geofísica. Por medio de un estudio geofísico utilizando elmétodo de refracción sísmica será posible terminar el espesor del material de despalme,el material intemperizado que cubre a la roca de buena calidad y las características físicasde elasticidad de los materiales.

3.- Pruebas de Voladura. Aun con un conocimiento detallado con respecto al patrón dediscontinuidades, es posible que los bloques de roca no se formen exclusivamente a lolargo de las juntas, ya que hasta un cierto punto son dependientes del arreglo y carga delas voladuras. Frecuentemente, es difícil predecir con certeza el tamaño de los bloque deroca que una posible cantera pudiera suministras, sin antes haber realizado pruebas devoladuras.



222

OBSERVACIONES DE CAMPO, JUNTO CON PRUEBAS ACEPTADASCOMO MATERIAL DE ENROCAMIENTO.

Tabla 5

Pruebas yObservaciones

Rocas para coraza,capas secundarias y

filtro.

Roca para núcleo Notas

Observaciones de campo

Grado de intemperismo

Vel. Sísmica (Km/seg)

Espaciamiento deestratificación y

diaclasas

R.Q.D.

Fresca a ligeramente

intemperizada

>4

>1m típicamente

70-100%

Fresca a

moderadamenteintemperizada

>3.5

0.2-1m

50-100%

Deberá de pasar las pruebas

de aceptación.

Solo una guía de campopreliminar

Una guía preliminar, la formay tamaño del material de la

cantera depende también enel patrón de voladura así

como, las características degeometría y resistencia.

Solo en núcleos bienperforados

PRUEBASCOMÚNMENTE ACEPTADAS

Forma

Gravedad especificaaparente

Absorción de agua

Valor de fragmentaciónde agregados

Pruebas de resistenciaa la compresión

uniaxial (seca yhumedad) (MN/m2)

Resistencia alintemperismo

Prisma, dimensión,máxima no mayor queveces la dimensión

menor

No < Ca 2.6

No < Ca 2.5

No > 20%

>85

No > 8

Prisma, dimensión máx.No mayor que 2.5veces la dimensionmenor que no sean

angulosos

No < Ca 2.5

No < 3%

No > 25%

>50

No > 16

No se aplica a filtros. No sedeben aceptar formaslaminares y angulares. Se

desean formas redondeadasy con alto coeficientes de

esfericidad.

En algunas (calizas) corazaspueden ser no < Ca 2.45 y el

núcleo no < Ca 2.4

Un buen guía pero no undogma

El valor de agregados porimpacto es más sensible amaterial blando se puedetambién considerar la Pruebade Abrasión de Los Ángeles

La prueba de carga puntual(Franklin) es una buenaaproximación

Se podría requerir uncociente de humedo/secoque no < 25% por el métodode MgSo4. Solo como guía.

PRUEBAS DEPREACEPTACION

Examen Petrográfica Prueba elaborada en cadatipo de roca para ayudar aser un ¿ sobre la durabilidad.Pruebas de contenido dearcillas puede ser necesario.

Según Fookes y Poole (1981)



224



225

Fallas en concreto y la relación con la presencia de agregados

El concreto se encuentra seguido expuesto a esfuerzos de tensión internos los cuales,comúnmente, no son considerados en el diseño de la estructura, y el concreto, siendo debaja resistencia a la tensión, se agrieta si los esfuerzos son apreciables. Muchas

condiciones que producen tensión no son rápidamente evitables, por lo que, en general,las grietas tensionales provocan uno de los más serios problemas en la construcción deconcreto.

La figura 1.2 es una base general para la clasificación de las causas más comunes deagrietamiento, la cual puede ser de ayuda en la detección de la causa y la aplicación delas medidas correctivas. En la figura se destacan cuales son las grietas que pueden estarrelacionadas con la presencia de agregados.

En la figura 1.3 se resumen en una forma simple una clasificación de los materialespotencialmente peligrosos; esto se presenta con la finalidad de recalcar la importancia quetienen los agregados en la elaboración y el comportamiento del concreto.

CARACTERÍSTICAS DE LOS AGREGADOSPERJUDICIALES PARA EL CONCRETO

FÍSICAS QUÍMICAS

EXTERNAS INTERNAS REACCIÓN CON

CEMENTO

INDEPENDIENTEDEL CEMENTO

INCRUSTACIONES OREVESTIMIENTOS

CARACTERÍSTICAS INDESEABLES DELOS POZOS

REACCIÓN ALCALINA OXIDACIÓN

SUPERFICIES MUYINTEMPERIZADAS

ALTO CAMBIO DE VOLÚMEN DEFRESCO A SECO

OTRAS REACCIONES HIDRATACIÓN

SUPERFICIES MUY SALINAS,PULIDAS.

LAMINACIÓN Y EXFOLIACIÓNIMPUREZASORGÁNICAS

IMPUREZAS

ASPECTO INDESEABLE PARTÍCULAS DEBILES Y SUAVES IMPUREZAS SALINAS SOLUBILIDAD

ASPECTO MUY FINO EXPANSIÓN TÉRMICA INDESEABLE INTERCAMBIO BÁSICO

FIGURA 1.3. CLASIFICACION DE AGREGADOS POTENCIALMENTE PERJUDICIALES.



226

D E S P U E S D E E N D U R E C E R

C O N T R A C C I Ó N

I R R E V E R S I B L E A L

S E C A R

A C C

I Ó N

Q U Í

M I C A

T E M P E R A T U R A

F A L L A

E S T R U C T U R A L

C O N C R E T O

A C E R O

E X T E R N A

I N T E R N A

P E R D I D A

D E A G U A

E X P A N S I Ó N D E L A M A S A

I N T E R N A C O M O R

E S U L T A D O

D E L F R A C T U R A M

I E N T O D E

L A S U P E R F I C I E E X T E R I O R

E X P A N S I Ó N Y

C O N T R A C C I Ó N

D I F E R E N C I A L

C A M B I O S

C L I M Á T I C O S

A C C I O N E S

D E H I E L O Y

H E L A D A S

E X C E S I V A

C A R G A

D E

T E N S I Ó N

A G R I E T A M I E N T O

D E M U R O S

Y L O S A S

A G R E G A D O S

A L C A L I N O S

R E A C T I V O S

A G R E G A D

O S

I N T E M P E R I Z A B L E S

Y D E L E T E

R I C O S

C O R R O S I Ó N

D E L

R E F U E R Z O

C A L E N T A M I E N T

O P O R

H I D R A T A C I Ó N D E L O S

A G R E G A D O S D E L

C E M E N T O P O R

E X P A N S I O N E S

T É R M I C A S A N O R

M A L E S

G R A N D E S

M U R O S O

L O S A S S I N

J U N T A S

A D E C U A D A S

E X F O L I A C I Ó N

D E L A

S U P E R F I C I E

C O N S T R U C C I Ó N

E X C E S I V A

C A R G A

R E F U E R Z O

I N

S U F I C I E N T E

E N C A S O

D E V I B R A C I O N E S

M U Y

C O M Ú N

G E N E R A L M E N T E

R A R O

L O C A L M E

N T E ,

M E D I A N A

M E N T E

C O M Ú N

L O C A L M E N T E ,

C O M Ú N


M E D I A N A M E N T

E

C O M Ú N


M E D I A N A M E N T E

C O M Ú N


C O M Ú N

G E

N E R A L M E N T E

R A

R O

M E Z C L A S D E N S A S C O N

B A J O C O N T E N I D O D E

C E M E N T O Y A G U A E N

C A N T I D A D E S

A D E C U A D A S

B A J O C O N T E N I D O D E

A L C A L I S E N E L

C E M E N T O ,

N O S E U S E N

A G R A G A D O S R E A C T I V O S

E V I T E A G R E G

A D O S

M E T E O R I Z A D

O S O

I N T E M P E R I Z A

D O S

U T I L I Z A R U N A G R U E S A

Y E S P E S A C A P A D E

P R O T E C C I Ó N Y

A G R E G A D O S L I M P I O S

B A J A R E

L

C A L E N T

A M I E N T O

D E L C E M E N T O Y

C O N T R O

L A R E L

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N T O D E

T E M P E R

A T U R A

P O R E X P A N S I Ó N

U T I L I Z A R J U N T A S

A D E C U A D A S P A R A

E X P A N S I Ó N Y

C O N T R A C C I Ó N .

U T I L I Z A

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C O N C R E

T O

S A N O

C O R R E G I R

D I S E Ñ O

E S T R U C T U R A L

C L A S I F I C A C I Ó N P R I M A R I A

C L A S I F I C A C I Ó N S E C U N D A

R I A

C A U S A

E J E M P L O

O C U R R E N C I A

R E C .

D I R E C T A M

E N T E R E L A C I O N A D A C O N L A F A L L A D E

A G R E G A D O S

I N D I R E C T A M E N T E R E L

A C I O N A D A C O N L A F A L L A D E A G R E G A D

O S

C L A S I F I C A C I Ó N D E L A S F A L L A S D E C O N C R E T O ( F I G .

1 . 2

)



227

PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS

Las principales propiedades que deben cumplir los agregados son:

Granulometría

Forma y redondez de las partículasPropiedades superficialesImpurezasPropiedades físicas y mecánicasPropiedades químicas y mineralógicas

Estas propiedades van a depender de tres procesos geológicos principales, que son:

1.- Tipo de Roca: Es importante ya que constituye la fuente para la obtención de losmateriales de grava y arena natural o triturada como agregados.

2.- Condiciones de Sedimentación y Transporte: Influye el cómo, cuando y bajo quecondiciones la arena y la grava han sido transportadas y depositadas.}

3.- Procesos modificadores recientes: Abarca los procesos químicos y mecánicos queestán afectando a los materiales desde su depósito.

En la figura 2.1 se muestra la influencia de los tres principales factores geológicos en losparámetros de calidad de los agregados.

GEOLOGÍA Y LOS PARÁMETROS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS

Fig. 2.1



228

DESCRIPCIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS

A continuación, se desarrollara con mayor amplitud las principales propiedades de losagregados del concreto, mencionando brevemente su definición de cada una y la formacomo afectan a las propiedades del concreto, según la etapa de endurecimiento o de la

evolución que se encuentre (fresco, hidratado, endurecido o estabilizado a largo plazo).La figura 2.2 es una buena guía para el desarrollo de las propiedades de los agregados.

Granulometría

Se refiere a la distribución de tamaños de las partículas y a los tamaños máximos ymínimos presentes en un agregado.

Los agregados se clasifican, en función del tamaño de las partículas, en agregados finos(arenas) y gruesos (gravas.

Para definir los intervalos teóricos de clasificación se utilizan límites nominales segúnespecificaciones de los diversos institutos de investigación del concreto.

Las arenas sitúan en el intervalo definido por el tamiz No. 200 (74 micras) como el límitenominal inferior y el tamiz No. 4 (4.76 mm) como el superior.

Las gravas tienen como límite inferior el tamiz 4 y su tamaño máximo depende dconsideraciones económicas y/o características geométricas y estructurales de obra (Fig.2.3.).

La granulometría de los agregados afecta el concreto, por un lado, en la economía de laproducción, ya que si el agregado tiene por ejemplo mala graduación y por lo tanto unadiferencia o exceso de un tamaño de partículas, lo que producirá son mezclas conmayores huecos entre partículas y por ende, se requiere mayor cantidad de cemento parallenar los huecos, el cual tiene un mayor costo que los agregados.

Por otro lado, combinaciones de agregados con cantidades excesivas de arena puedenproducir concretos no económicos a causa de las grandes áreas de contacto de laspartículas finas, lo cual requiere mayores consumos de cemento para cubrir lassuperficies adicionales, ya que de otro modo el concreto sería muy rígido. (Fig. 2.4.).

El tamaño máximo de las gravas tiene el efecto en el área superficial y en la economía. Sise incrementa, dentro de cierto límite, el tamaño de las partículas gruesas podríanecesitarse menor cantidad de cemento agua, y por lo tanto, menores resistencias paraun contenido de cemento dado (Fig. 2.5).

Pero en resistencias altas, mayores de 315 Kg/cm², se obtienen más altas resistencias ala compresión con menor tamaño máximo del agregado.



230

Un cubo de agregado de 1 cm Área superficial = 6x1x1 =6 m²

Ocho cubos de agregados de 1/2 cm Área superficial = 6 ½ x1 ½ x8 =12 m²

Sesenta y cuatro cubos de agregados de 1/4 cm Área superficial = 6 ¼ x ¼ x64 =24 m²

Fig. 2.4 Efecto del tamaño de las partículas en el área superficial de los agregados



231

Agregado bien graduado0.5 cm de tamaño máximo

Agregado bien graduado1 cm de tamaño máximo

Fig. 2.5 Efecto del incremento del tamaño máximo en el contenido de huecos de un agregado bien graduado.

Forma y redondez de la partícula

La forma de una partícula se refiere a la esferidad (la tendencia de la partícula a adquirir la

forma esférica) y a la redondez (relación de la agudeza de las aristas y vértices de laspartículas). La forma depende del tipo de roca y sus características: así como lascondiciones de sedimentación y transporte que sufrió durante su formación.

Otro factor que influye en la forma natural de la roca es la presencia y distribución desuperficies por las que la roca se parte con mayor facilidad, tales como planos de cruceroen los minerales o las diaclasas de las rocas; si estas faltan o escasean, lasprobabilidades de fractura son las mismas en todas direcciones y producen fragmentos



232

equidimencionales. Por ejemplo: el cuarzo no tiene un crucero y así los granos de arenasde cuarzo, angulares o redondas, son equidimencionales.

En el caso de agregados triturados, rocas como los balastos, andesitas, granitos,cuarcitas y calizas tienden a producir fragmentos angulares cuando se trituran; calizas

arcillosas o arcillas, producen una cantidad excesiva de finos. Las areniscas dependen delo cerrado de su textura y de la cantidad y tipo de cementante. Así mismo, rocas comoesquistos o pizarras dan lugar a formas planas y lajas debido a su alto contenido de micasy a su esquistosidad característica.

La forma afecta principalmente la calidad y cantidad de mezcla necesaria para latrabajabilidad del concreto fresco y, por tanto, se requiere mayor volumen de cemento,agua o arena. Los fragmentos angulares y afilados forman una mezcla áspera queaumenta la cantidad necesaria de agua agregados finos para preparar el concreto y darletrabajabilidad adecuada.

También de liga con la mezcla de cemento puede debilitarse donde existe la superficierelativamente grande de agregados de partículas planos, especialmente cuando seencuentran en planos de esfuerzo cortante o la tensión.

Propiedades Superficiales

Las propiedades superficiales se refieren a la textura de las partículas. Es decir el gradode rugosidad o irregularidad en la porción exterior de los agregados. Usualmente, se usantérminos como rugoso, granular cristalino o vítreo para describir la textura superficial.

La superficie y estructura de una grava difiere, más o menos, en su interior. Puede serbastante blanda y porosa a causa de la alteración de sus minerales constituyentesoriginales. La superficie puede ser lisa e impermeable a los líquidos. En una mezcla deconcreto, una superficie de este tipo en los fragmentos no produce una buena unión entreestos y el mortero de cemento. Por lo tanto, se requiere una superficie relativamenteáspera para una buena unión en el concreto.

Una textura muy porosa en los agregados repercutirá en la adhesión superficial delconcreto y en el desarrollo de la hidratación, ya que podría absorber mas agua que larequerida inicialmente; lo cual aumenta los costos y la resistencia en su etapa deendurecimiento. La escasez de poros contribuye a la compacidad de la roca, haciéndolaasí muy resistente a la abrasión; como por ejemplo los agregados de cuarzo, cuarcita ybasalto.

Es muy importante que las partículas resistan la meteorización química y física. En losagregados muy porosos las partículas se parten muy fácilmente, y las que tienden adilatarse cuando están saturadas indican que el agregado se deteriorara con facilidad pormeteorización. Estas características producen en el concreto una débil unión o grietas, oincluso agujeros en la superficie del concreto.



233

Impurezas

Las impurezas que pueden venir mezcladas con los agregados, se refieren a las capassuperficiales que cubren las partículas, a las impurezas orgánicas, a las sales solubles y alas arcillas, limos, carbón y ciertas partículas suaves y ligeras.

La capa externa de revestimiento de las partículas es importante, ya que puede estarformada por elementos químicos nocivos al concreto, no obstante que la roca en si sea debuena calidad. El espesor de esta capa es muy variable y, generalmente, se localiza en laparte inferior de la misma (en su posición natural en el depósito. Por lo que se deben teneren cuenta estas características al investigar yacimientos que puedan presentar esteproblema.

Las impurezas orgánicas como turba, humo y restos orgánicos y algunas sales solublesretrasan el fraguado y endurecimiento del concreto y en algunos casos pueden causardeterioros.

Por otro lado, los limos y arcillas pueden estar presentes como basuras y pueden formaruna capa en las partículas.

Excesivas cantidades de ellos provocan incrementos en el agua requerida para producirun determinado fraguado del concreto, o si la cantidad de material fino varia de lote puedecausar fluctuaciones indeseables en el fraguado y resistencia.

El carbón lignito, materiales ligeros o suaves, como la madera, puede afectar ladurabilidad del concreto si están presentes en cantidades excesivas.

Propiedades Físicas y Mecánicas

Las propiedades físicas y mecánicas de los agregados, como su peso volumétrico,solidez, resistencia a la abrasión y las características térmicas. Tienen una influenciadirecta a la resistencia del concreto tanto en su etapa de endurecimiento como en ladurabilidad y resistencia al intemperismo a largo plazo.

A continuación se analizan las principales propiedades físicas y mecánicas de losagregados.

A) Peso Volumétrico. El peso unitario de un agregado es el peso del agregado divididopor el volumen de las partículas y huecos entre partículas. El peso volumétrico se usa enla estimación de cantidades de material y de algunos cálculos de proporcionamiento demezclas.

El peso volumétrico del agregado esta afectado por varios factores como la humedad,graduación, gravedad especifica, textura superficial, forma y angularidad de las partículas.Por ejemplo, si el contenido de humedad del agregado aumenta, también se incrementa elpeso volumétrico, sobre todo en las gravas; silos agregados están bien clasificadostendrán, por lo regular, un peso unitario mayor que aquellos en los que predomina un solotamaño. Una gravedad específica alta de las partículas da un mayor peso, así mismo



234

agregados redondeados y lisos tendrán generalmente un mayor peso unitario que laspartículas rugosas de una misma clasificación y composición mineralógica.

b) Sanidad. Con sanidad de un agregado se refiere a la capacidad de resistir las accionesagresivas a las cuales se verá expuesta al formar parte del concreto, particularmente

debido al intemperismo.En áreas con inviernos severos o moderados una causa importante de deterioro de losagregados en el concreto expuesto es el congelamiento y deshielo, ya que al introducirseel agua en los poros abiertos y congelarse se ejercen presiones radiales que tienden aquebrar al agregado. La cantidad de presión desarrollada dependerá de la magnitud delcongelamiento, del tamaño, porosidad, permeabilidad y la resistencia de la partícula.

En los agregados muy porosos, las partículas que se rompen con mayor facilidad y lasque tienden a dilatarse al estar saturadas indican que los fragmentos se deterioranfácilmente por intemperismo.

Si dentro de la estructura de los agregados se encuentran minerales arcillosos de losgrupos montmorillonita y la illita, estos tienden a hincharse si se les permite absorberagua. Así se pueden crear en el concreto, esfuerzos de tensión que rebasen suresistencia.

c) Resistencia a la abrasión. La resistencia de un agregado a la abrasión es sucapacidad de resistir, estando quebrado, los impactos y la fricción. Es una medida generalde la calidad y resistencia del agregado a la degradación debida al manejo,almacenamiento y mezclado. Esta resistencia depende en gran medida del tipo de roca yde su grado de consolidación y cementación, ya que por ejemplo: rocas arcillosas omicaceas (lutitas o pizarras) se desintegran fácilmente, pero en cambio basaltos, gneisseso calizas compactas resisten satisfactoriamente los impactos y fricciones durante losprocesos de manejo.

d) Propiedades térmicas. Los efectos térmicos en agregados pueden causar dilatación yfisuración ocasional del concreto. Por ejemplo, el calor intenso produce deterioro físico yquímico del concreto, ya que puede realmente descomponer la mineralogía de losagregados y crear nuevos compuestos químicos. Así mismo rocas como el cuarzo ypedernal, forman un concreto a los que a las altas temperaturas producen daños; ya quehay cambios bruscos de volumen que producen tensiones destructivas. Los agregadoscompuestos principalmente por minerales calcáreos están menos sujetos a desperfectos,ya que el calor intenso produce la calcinación de la caliza y los productos de ésta sonaislantes excelentes que frenan el paso del calor.

PROPIEDADES QUÍMICAS Y MINERALÓGICAS

Los agregados que son químicamente estables no reaccionan con el cemento en unamanera perjudicial o no serán afectados químicamente por influencias externas normales.

En algunas condiciones, los agregados con ciertos constituyentes químicos omineralógicos reaccionan con los álcalis del cemento. La reacción comienza cuando los



235

álcalis (óxidos de sodio y potasio) en el cemento entran en solución y atacan los silicatosreactivos en los agregados. Como resultado, un gel álcali silicato es formado, el cual seadhiere al agua y produce una tendencia a hincharse puede causar expansionesanormales y rompimiento del concreto.

Los minerales más comunes que pueden causar esta reacción se denominan reactivos odeletéreos y son: Sílices en forma de ópalo común, calcedonia, pedernal, tridimita,cristobalita, vidrio natural cristalino, cuarzo muy fracturado, (granulado y deformadointernamente, o relleno con inclusiones submicroscópicas).

Las rocas que pueden contener esos minerales reactivos se muestran en el siguientecuadro.

ROCAS REACTIVAS CON LOS ÁLCALIS PRESENTES EN EL CEMENTO

ROCAS REACTIVAS COMPONENTE REACTIVO

1. Rocas síliceas

Ópalo (SiO2 n H2O), Calcedonia (SiO2), Calcedonia y/o ÓpaloPedernal Opalino

Pedernal de calcedonia

Caliza Silícea

2. Rocas Volcánicas

Riolita y tobas rioliticas

Cristales volcánicos ricos en Sílice, Vidrio desvitrificado y Tridimita (SiO2)

Dacitas y Tobas Dacíticas

Andesitas

Piedra Pómez

Obsidiana

3. Rocas Intrusivas

Granitos Más de 30% de cuarzo deformados, caracterizados por extinción ondulatoria(Petrografía).

Granodioritas

4. Rocas Metamórficas

GneisesMás de 30% de cuarzo deformados, caracterizados por extinción ondulatoria

(Petrografía).

Por otro lado, la inclusión de sulfuros minerales, tales como pirita y carcasita (ambos dehierro) en los agregados tienen como consecuencia el deterioro del concreto. Los sulfuroscuando se incorporan al concreto se oxidan y a continuación, se hidratan, con un aumentoconsiderable de volumen, ocasionando manchas deformes y agujeros en la superficie delconcreto.

La acción de las distintas sales químicas, como sulfatos, cloruros, carbonatos, etc.,depende de la cantidad en que están presentes y de la composición del cementoempleado. Los sulfatos pueden producir la dilatación y desintegración del concreto por sureacción con el cemento, aunque generalmente, ésta se puede evitar con el empleo decementos especiales.



237

mezclas de concreto para determinar las propiedades óptimas. Sin embargo, a menos queel trabajo sea lo suficientemente grande para justificar correctamente la mezcla, o quesepan que puede obtenerse buenos concretos con agregados de cierta granulometría.

Un agregado con forma indeseable de partículas no debe rechazarse necesariamente a

favor de un agregado más caro y con mejor forma de partículas, si el costo del contenidoadicional de cemento que se requiera para el primer agregado es menor que el costoextra que representa obtener el segundo agregado, siempre que el empleo de cementoadicional no sea perjudicial.

No debe usarse un agregado que no produzca un concreto que no de la resistenciarequerida. Si esta resistencia puede alcanzarse solamente con un factor de cementoexcesivamente alto, probablemente, el empleo de este agregado no es económico.

Un material que vaya a usarse en concreto que esté expuesto a congelación y deshielodebe ser capas de producir concreto que sea resistente a la acción de la congelación.Un material que vaya a usarse en concreto que esté expuesto a la intemperie y que almismo tiempo deba conservar una apariencia libre de defectos, debe estar esencialmentelibre de partículas suaves que tengan una absorción capilar desfavorable o que semanchen bajo la acción de la intemperie.

g).- Un material que contenga o que consista de sustancias que puedan reaccionar conlos álcalis del cemento de tal manera que produzcan una expansión excesiva, no debeusarse un concreto que vaya a estar expuesto a ciclos de humedecimiento a menos quese especifique el empleo de cemento con bajo contenido de álcalis o que se use unacantidad adecuada de una puzolana apropiada, o que se especifiquen ambos factores.

h).- En circunstancias especiales, el usuario de agregados puede desear materiales conpropiedades térmicas o elásticas particulares; en tales casos debe esperar talesagregados resulten mas costosos.

DEPOSITOS NATURALES DE ARENAS Y GRAVAS

AluvionesTerrazas fluvialesDepósitos de pie de monteDepósitos eólicosDepósitos costerosDepósitos sedimentarios consolidadosDepósitos glaciaresSuelos ResidualesRocas piroclásticas débilmente consolidadas

La fabricación de agregados con características especiales, como arcilla expansiva, lutitaso pizarras que son usadas como agregados ligeros.



238

Agregados naturales

Para realizar la descripción de los agregados naturales, se hará una división en: 1)Gravasy arenas naturales, y 2)Gravas y arenas trituradas. En cada una se mencionarán susventajas y desventajas, los diferentes depósitos o rocas donde pueden obtenerse, así

como las características generales de ellos.Gravas y arenas naturales

Se refiere a los depósitos de gravas y arenas, en los cuales dichos tamaños han sidoproducidos por distintos procesos geológicos, y para su explotación solo es necesarioutilizar herramientas manuales o mecánicas. No obstante, que pueden requerir procesosde tratamiento como cribado, trituración, molienda y lavado para lograr la granulometríaadecuada o para eliminar porcentajes altos de partículas mayores o menores que eltamaño requerido.

Las gravas y arenas naturales tienen en general, las siguientes ventajas sobre lostriturados:

- Su explotación es generalmente mas económica por usar menor cantidad de equipo.

- Requieren menor o ninguna trituración.

- Las formas redondeadas de estos agregados facilitan el manejo y colocación de lasmezclas, y requieren menores consumos de cemento.

Los terrenos geológicos en donde se pueden encontrar las arenas y gravas en formanatural y las características de estos depósitos, se describen a continuación:

Depósitos aluviales

Los depósitos de río reciben el nombre genérico de aluviones, debido a que el agua a lolargo del curso tiene ocasión de erosionar materiales muy diferentes; es normal que losaluviones estén formados por materiales muy variados; sin embargo, la depositaciónocurre siguiendo algunas leyes físicas generales fáciles de entender.

La capacidad del agua para transportar sedimentos depende de la velocidad de lacorriente y de su gasto; esto condiciona un gran poder erosivo en las zonas de curso alto,en que la corriente suele tener fuertes pendientes y, por ende, grandes velocidades, por loque el agua es capaz de arrastrar sedimentos muy gruesos, del tamaño de la grava y laarena, y aún, fragmentos de roca que van rodeando cauce abajo.

En el curso medio, la pendiente de los ríos disminuye y correspondientemente lo hace lavelocidad, por lo que se restringe la fuerza erosiva de este concepto, es muy común quepor esta razón en el curso medio de los ríos se depositen los materiales del tamaño de lagrava y de la arena, siendo estas zonas muy apropiadas para la búsqueda de estosbancos.



239

En la etapa final de su recorrido, el río usualmente pierde mucha velocidad, entra a zonasmás planas, divaga y busca salida en el mar, en un lago o en otro río importante; en estaetapa, el poder erosivo disminuye aún mas, especialmente cerca de la desembocadura,en donde suele ejercerse un efecto de drenaje muy importante por parte de las masas deagua, comparativamente estáticas, a las que el río terminará por desembocar. Esta es la

zona en la que la corriente deposita los materiales más finos, del tipo de los limos y lasarcillas. Si el régimen se hace muy lento en la desembocadura, se formará un delta, conpredominio notorio de sedimentos muy finos.

Por otro lado, las distancias de acarreo influencian, además de la clasificación, en la formade las partículas de grava, haciéndose más redondeadas y más pulidas a mayor distanciade la fuente de origen. Las características de los sedimentos que se pueden encontrar enel curso de un río, también dependen de la naturaleza de las formaciones que el ríoatraviesa.

En resumen, los depósitos que es posible encontrar en valles fluviales, llanuras deinundación, y terrazas y abanicos aluviales son relativamente variables, no sólo ennaturaleza mineralógica, sino también en tamaño y dependen del desarrollo de lacorriente, de su régimen hidrológico y de las formaciones que se atraviesan.

Las terrazas fluviales (Depósitos y terrazas)

Las terrazas fluviales son antiguas zonas por donde los ríos circularon y depositaronmateriales en épocas geológicas pasadas, y que en la actualidad se encuentran arriba dela zona de acción de los ríos. Las características de estos depósitos es similar en elcarácter de los encontrados en los ríos y aluviones, y pueden constituir una buena fuentede gravas y arenas. Las terrazas pueden estar cubiertas por suelos de diversosespesores. Así mismo, los guijarros pueden contener cubiertas secundarias derecubrimiento, debido a la precolación y precipitación durante los periodos post-depositacionales. Estos revestimientos pueden contener minerales deletéreos al concreto,o bien, una parte de las gravas estar muy alteradas.

Depósitos de pie de monte

Estos depósitos se encuentran generalmente en los pies de las montañas como resultadode los procesos de intemperismo y erosión que atacan a las rocas de las montañas. Eltamaño de los fragmentos varía en un amplio rango, son generalmente angulosos o algoredondeados, ya que la distancia a que han sido arrastrados antes del depósito es corta;son características en ellos su poca estratificación y su lenticularidad.

Depósitos eólicos

Los depósitos eólicos se forman por la acción del ciento que arrastra sobre el suelo laspartículas de arena o bien, pone en suspensión y transporta las arenas muy finas; dandolugar a los depósitos de loess y medanos de arena. Puede encontrarse en llanuras áridasy semiáridas, en antiguas planicies aluviales o a lo largo de playas.



240

Las arenas suelen tener tamaño de fino a medio, con marcado predominio de un solotamaño y compuestas, principalmente, por granos de cuarzo o feldespatos bienredondeados.

Depósitos costeros

Las playas están compuestas por los fragmentos erosionados de las tierras cercanas, yredistribuidos por los ríos, oleaje y las corrientes costeras. Los fragmentos pueden estarformados por cualquier tipo de roca y puede ser de todos los tamaños desde bloqueshasta arenas y limos de la naturaleza de la roca y de la energía de los procesos costeros.

En general, las gravas y arenas están relativamente limpias, mal graduadas y bienredondeadas, con superficies ásperas. Es necesario tomar en cuenta que estas gravas yarenas de playa contienen sales deletéreas y requieren lavados vigorosos.

Depósitos glaciares

Estos depósitos son otra fuente posible de materiales para agregados, aún cuando enMéxico son escasos. Pueden ser formados directamente por el hielo en movimiento o porlas aguas del deshielo. Los primeros generalmente están mal graduados, y contienen unamezcla muy heterogénea de tipos de roca. En el segundo caso, su naturaleza es masparecida a un depósito fluvial, si bien la capacidad de arrastre de los gruesos en estosdepósitos es mayor y con granulometría errática también.

Depósitos de plataforma continental

Durante diversas épocas geológicas algunas de las actuales plataformas continentalesestaban emergidas y los ríos las atravesaban en dirección hacia los mares distantes,formando los depósitos de ríos y aluviones ya descritos. En la actualidad, el nivel del marpudo haber ascendido y dejar depósitos de gravas bajo el agua que pueden serexplotados dependiendo de su grado de cementación.

Depósitos residuales

En ocasiones se puede obtener arena (y raras veces grava) en los depósitos procedentesde la destrucción de las rocas preexistentes por intemperismo. Su naturaleza varía muchode acuerdo con el tipo de roca original y el grado de alteración sufrido.

Es común que todos los suelos residuales contengan partículas de todos tamaños, puestoque no han sufrido ningún proceso de selección como los que producen los medios detransporte.

Depósitos sedimentarios consolidados

Se les denominará depósitos consolidados, a aquellos depósitos antiguos de gravas yarenas que con el paso del tiempo y con la acción de ciertos procesos diagenéticospueden adquirir una cierta consolidación o cementación. Las características de lagranulometría, tamaños, forma y composición de los fragmentos dependerán del proceso



241

por el cual se depositaron originalmente. Si los depósitos están débilmente cementados,su explotación se hará fácilmente con equipos mecánicos, en minas a cielo abierto o enforma subterránea.

Rocas piroclásticas débilmente consolidadas

Algunas de las rocas piroclásticas presentan buenas características para usarse comoagregados; principalmente si su consolidación y cementación es débil, pueden explotarsefácilmente. Las características de las gravas y arenas dependen del tipo de rocapiroclástica. Si es brecha volcánica, los fragmentos serán angulosos. Si es un aglomeradolas gravas estarán redondeadas. En ambos casos, el tamaño y la granulometría seránmuy variables. La composición petrográfica y mineralógica es por lo general muyhomogénea.

Gravas y arenas trituradas

Los agregados triturados son la grava y arena que se obtiene de las rocas compactasdespués de someterse a procesos de trituración hasta obtener los tamaños deseados.Este tipo de agregados se utilizan cuando no se dispone de depósitos naturalesapropiados en la calidad, cantidad o ubicación requerida. O bien, cuando se requiereobtener cierto tipo o cantidad de agregados para un determinado uso. En la actualidad losequipos de trituración y molienda pueden llegar a producir partículas, hasta tamaños dearena y obtener agregados triturados con la granulometría adecuada para producirconcretos de la resistencia y trabajabilidad necesaria. Una ventaja que presentan losagregados triturados consiste en la homogeneidad de su constitución química ymineralógica, y de sus propiedades físicas y de resistencia; ya que las partículastrituradas proceden de una misma roca, en tanto que los ―naturales‖ incluyen fragmentosprocedentes de diferentes rocas, con distinta composición y características. Así mismo,también estos agregados pueden presentar minerales reactivos dentro de las rocas atriturar. En general las rocas que pueden producir agregados triturados de buena calidadson las indicadas en la siguiente tabla.

Tipo de roca Nombregnea extrusiva Basaltos, andesitas y dacitasgnea intrusiva Granitos, granodioritas y dioritas

Sedimentaria Calizas, dolomitas y areniscas compactasMetamórfica Esquistos, gneiss, hornfels y cuarcitas

Estas rocas son solamente las más importantes, su utilización no dependeexclusivamente del tipo de roca sino de otros parámetros, como son:

El grado de alteración e intemperismo

Si la roca esta muy alterada por procesos geológicos internos o la capa de intemperismoes profunda, la calidad de los agregados decrece por una baja en su resistencia, oaumento de permeabilidad o alteración de su textura original, etc. El grado de alteración yla profundidad de intemperismo de la roca tienen una influencia definitiva en la seleccióndel método de explotación de un banco, así como en el equipo de excavación ytransporte.



242

Fracturamiento

El grado de fracturamiento que presente una roca, así como algunas de suscaracterísticas como la orientación, inclinación y espaciamiento de las diferentes familiasde fracturas, junto con lasa condiciones y tipo de relleno entre ellas, son parámetros muy

importantes que condicionan el tamaño máximo de fragmentos que se pueden obtener.Por otro lado, el patrón de fracturas influye notablemente en el sentido de ataque en losbancos de explotación y en los diseños de barrenación de explosivos y, en ocasiones, enla efectividad de las voladuras.

Contenido mineralógico

Además de los minerales reactivos o deletéreos al concreto, es necesario considerar losmateriales duros y abrasivos como los minerales con alto contenido de sílice, los cualesdesgastan los rodillos de las máquinas trituradoras (principalmente en las trituradorassecundarias o terciarias), provocando altos costos de mantenimiento. Generalmente, lasmáquinas de impacto y martillo no deben triturar rocas con más del 6% de contenido desílice (SiO2). Así mismo, rocas con alto contenido de minerales suaves (micas, cloritas,calcita, hilita, yeso, etc) o fragmentos finos (limos y arcillas) como lutitas, limolitas,pizarras, filitas, tufas, sales, yeso, anhidrita, etc; dan lugar a polvos muy finos noutilizables como agregados.

Espesor de material de despalme.

Es importante considerar este factor, ya que en ocasiones es tan potente el espesor delmaterial estéril, que hace poco económica la explotación de un banco de agregados.

Rocas factibles de producir agregados triturados

Tipos de roca Nombregneas Basaltos, Andesitas y Dacitas, Granitos, Ganodioritas y Dioritas.

Sedimentarias Calizas, Dolomias y Areniscas compactasMetamórficas Esquistos y Gneisses

Factores que condicionan la utilización de las rocas trituradas como agregados deconcreto

1).- Grado de alteración.2).- Fracturamiento.3).- Contenido de minerales abrasivos.

4).-Contenido de minerales o fragmentos de grano fino.5).- Espesor de despalme.6).- Ubicación.



243

PRUEBA DE DESGASTE LOS ANGELES

Esta prueba tiene por objeto determinar el desgaste de los materiales pétreos que seemplean en la construcción de mezclas asfálticas, carpetas de riego, riegos de sello yotros usos, para estimar el efecto perjudicial que origina a los materiales su grado de

alteración, su baja resistencia estructural, planos de debilitamiento, planos decristalización, forma de las partículas, etc.; la prueba consiste en someter a las muestrasde material pétreo seco y con determinada granulometría a un proceso de abrasión quese efectúa en la máquina Los Ángeles, en la que se introduce la muestra junto conesferas metálicas y mediante una rotación de dicha máquina se originan entre las formasy el material cargas abrasivas y de impacto.

El equipo necesario para efectuar esta prueba es el siguiente:

Máquina de abrasión Los Ángeles, constituido por un cilindro hueco de acero, cerrado ensus extremos, con un diámetro interior de setecientos once (711) milímetros y longitudinterior de quinientos ocho (508) milímetros, provisto de una abertura para la introduccióndel material, la cual puede cerrarse herméticamente por medio de una cubierta dispuestade manera que conserve el contorno de la superficie interior; el cilindro lleva en su parteinterior y a todo lo largo una placa radial de acero, removible, de ochenta y nueve (89)milímetros de ancho; dicho cilindro está montado en una base rígida, mediante ejes fijosunidos a los centros de las cubiertas del mismo, de manera que puede girar en unaposición horizontal, con una velocidad de treinta a treinta y tres (30 a 33) revoluciones porminuto.

Esferas de acero con un diámetro de cuarenta y siete punto seis (47.6) milímetros, conpeso comprendido entre trescientos noventa (390) y cuatrocientos cuarenta y cinco (445)gramos, cada una.

Mallas números: 75.0, 63.00, 50.00, 37.00, 25.00, 19.00, 12.5, 9.5, 6.3, 4.75, 2.36 y 1.70

Horno con termostato que mantenga una temperatura de ciento cincuenta más menoscinco centígrados (1055° C).

Balanza con capacidad de veinte (20) kilogramos y aproximación de un (1) gramo.

Charolas de láminas rectangulares.

La preparación de las muestras se efectuará de acuerdo con lo que indica a continuación.

A) De una muestra de material pétreos obtenida y preparada como se indica en lascláusulas 110-02 y 110-03 respectivamente, se toma por cuarteo una porciónrepresentativa de veinte (20) kilogramos, aproximadamente.

B) Se determina el peso específico o volumétrico del material seco y suelto d, así comola composición granulométrica de la muestra veinte (20) kilogramos, de acuerdo con losprocedimientos que se indican en las cláusulas 110-07 y 110-09, respectivamente.



244

C) Se criba la muestra por la malla Núm. 1.70 y se lavan sobre dicha malla las partículasretenidas, pudiendo evitarse el lavado cuando se observen limpias.

D) Se seca en el horno la fracción retenida en la malla Núm. 1.70 a una temperatura deciento cinco más menos cinco grados centígrados (1055° C), hasta obtener peso

constante.E) Se seleccionan en la Tabla I el tipo de muestra y demás requisitos de la prueba, enfunción de la granulometría que corresponda al material de acuerdo con el uso que se lepretenda dar o bien, a la que la muestra originar; en cada caso se selecciona el tipo demuestra que se apegue más a la composición granulométrica del material por ensayar.

F) De acuerdo con el tipo de muestra seleccionado se clasifica el retenido de la mallanúm. 1.70, cribándolo por las mallas correspondientes; a continuación, se pesan ymezclan las fracciones respectivas para integrar la muestra de prueba y se registra supeso total como Wi, en gramos.

La prueba se efectúa en la forma siguiente:

A) Se determina en la Tabla I del inciso 110-13.3, el número de esferas que forman lacarga abrasiva, tomando en cuenta el tipo de la muestra de prueba seleccionada.

B) A continuación se colocan dentro del cilindro de la máquina Los Ángeles la muestra deprueba con peso Wi, determinado como se describe en el inciso 110-13.3 y con la cargaabrasiva correspondiente; se instala su cubierta y se cierra ésta herméticamente.

C) Se hace funcionar la máquina para que gire a una velocidad uniforme de treinta y tres(30 a 33) revoluciones por minuto, hasta completar quinientas (500) revoluciones en elcaso de muestras de los tipos A, B, C y D, y de mil (1000) revoluciones para las de lostipos E, F y G.

D) A continuación se saca la muestra del cilindro, se vacía en una charola y se criba por lamalla núm. 1.70; se pesa la fracción retenida en dicha malla y se registra su peso comoWf, en gramos.



245

CARACTERÍSTICAS DE LAS MUESTRAS DE PRUEBA Y DE LA CARGA ABRASIVA.

TIPO DEMUESTRA

GRANULOMETRÍA PESO DE LAMUESTRA EN

GRAMOS

CARGA ABRASIVA

PASA MALLA NÚM. RESISTE MALLANÚM.

NÚM. DEESFERAS

PESO TOTAL ENGRAMOS

A 37.525.019.012.5

25.019.012.59.5

125025125025125010125010

12 500025

TOTAL 500010

B 19.012.5

12.59.5

250010250010

11 458425

TOTAL 500010

C 9.56.3

6.34.75

250010250010

8 333025

TOTAL500010

D 4.75 2.36 500010 6 250015

TOTAL 500010

E 75.063.050.0

63.050.037.5

250050250050500050

12 500025

TOTAL 10000100

F 50.037.5

37.525.0

500050500025

12 500025

TOTAL 1000075

G 37.525.0

25.019.0

500025500025

12 500025

TOTAL 1000050

En esta prueba se calcula y reporta lo siguiente:

A) El porcentaje de desgaste del agregado pétreo, por medio de la fórmula siguiente:

100 X W

W W D

i

ff i

En donde:D es el desgaste del material pétreo, en por ciento.Wf es el peso final de la muestra de prueba, en gramos.Wi es el peso inicial de la muestra de prueba, en gramos.

Al efectuar esta prueba deberán tenerse las siguientes precauciones:



246

A)Vigilar que la máquina se encuentre debidamente nivelada, que al funcionar nopresente cabeceo, que trabaje a la velocidad especificada y que se complete el númerode revoluciones requerido para la prueba.

B) Evitar pérdidas de material durante la prueba.

C) Verificar que se cumplan los requisitos señalados en la Tabla I para la carga abrasiva,en lo que respecta el número de esferas y a su peso total.

PRUEBA DE INTEMPERISMO ACELERADO

Esta prueba permite estimar la alteración que pueden sufrir lo materiales pétreos al estarexpuestos a la acción del intemperismo, cuando se utilizan en la construcción de carpetasy riegos de sello, y consiste en someter a los agregados pétreos a varios ciclos desaturación en soluciones de sulfato de sodio o de magnesio, y sedado en horno, queproducen degradación del material pétreo, la cual se considera como una medida de lasusceptibilidad del material a los efectos ambientales.

El equipo y materiales necesarios para efectuar esta prueba son los siguientes:

Mallas Núms. 75.0, 63.0, 50.0, 37.5, 31.5, 25.0, 19.0, 16.0, 12.5, 9.5, 8.0, 4.75, 4.00, 2.36,1.18, 0.600, 0.300 y 0.150

Horno con termostato que mantenga una temperatura de ciento cinco más menos cincogrados centígrados (1055° C).

Densímetro calibrado de uno punto cero (1.0) a uno punto cuatro (1.4).

Charolas metálicas rectangulares.

Charolas metálicas redondas.

Recipiente de plástico con tapa y con capacidad de un (1) litro, aproximadamente.

Recipiente de plástico con tapa y con capacidad de doce (12) litros, aproximadamente.

Balanza de cinco (5) kilogramos de capacidad y un (1) gramo de aproximación.

Balanza de dos (2) kilogramos de capacidad y cero punto un (0.1) gramo deaproximación.

Siete (7) canastillas de mallas metálica de latón o bronce, con aberturas equivalentes a lamalla Núm. 2.36 con capacidad de dos punto cinco (2.5) litros, aproximadamente.

Cinco (5) canastillas de malla metálica de latón o bronce, con abertura equivalente a lamalla Núm. 0.150, con capacidad de cien (100) centímetros cúbicos, aproximadamente.

Vasos de aluminio con capacidad de un (1) litro.



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Recipientes de plástico con tapa y una capacidad de veinte (20) litros, aproximadamente yforma adecuada para introducir las canastillas.

Veinte (20) litros de solución de sulfato de sodios que se prepara vaciando en un

recipiente de plástico diecinueve (19) litros de agua limpia a treinta grados centígrados(39°C), adicionado por cada litro de agua trescientos cincuenta (350) gramos de sulfato desodio anhídrido (Na2SO4) o bien setecientos cincuenta (750) gramos de sulfato de sodiocristalino decahidratado (Na2SO410H2O), ambos de calidad industrial con dichascantidades se asegura la saturación de la solución, lo cual se manifiesta por la presenciade cristales en la misma; para llevar a cabo la disolución se agita vigorosamente el aguadurante la adición de la sal. A continuación, se deja en reposo la solución hasta queadquiera la temperatura de veintiuno más menos un grado centígrado (211° C),manteniéndola en estas condiciones durante cuarenta y ocho (48) horas como mínimo,antes de utilizarla.

Veinte (20) litros de solución de sulfato de magnesio preparada en sustitución de la desulfato de sodio y en forma similar a ésta, utilizando por cada litro de agua trescientoscincuenta (350) gramos de sulfato de magnesio anhídrido (MgSO4) o bien milcuatrocientos (1400) gramos de sulfato de magnesio eptahidratado o sal Epsom(MgSO4.7H2O), ambos cuando menos de calidad industrial.

Solución de cloruro de bario acidulado, que debe prepararse disolviendo diez (10) gramosde cloruro de bario químicamente puro (BaCl2) en cuarenta (40) centímetros cúbicos deagua destilada, a la que se le agregan veinte (20) centímetros cúbicos de ácido clorhídricoquímicamente puro; la solución antes referida se mezcla con una varilla de vidrio y se leagrega la cantidad de agua suficiente, para completar cien (100) centímetros cúbicos dedicha solución. En caso de que no se disuelva el cloruro de bario, se calentaráligeramente la solución para facilitar esta operación.

De una muestra de material pétreo obtenida y preparada como se indica en las cláusulas110-02 y 110-03, respectivamente, se toma por cuarteo una cantidad de veinte (20)kilogramos y se divide en dos (2) partes aproximadamente iguales; se criba una de éstaspor la malla núm. 9.5 y se elimina el material retenido, a continuación, se criba la otraparte por la malla núm. 4.75 y se elimina el material que pasa dicha malla; a la primeraporción gruesa, a estas dos porciones se les da el tratamiento que se indica acontinuación:

A) Para la preparación de las fracciones de prueba de la porción fina se determina sucomposición granulométrica aplicando el procedimiento que se indica en la cláusula 110-09, utilizando las mallas Núm. 4.75, 2.36, 1.18, 0.600 y 0.300, se anotan los pesos de losretenidos parciales del material que pasa la malla núm. 0.300, y se obtienen susporcentajes con respecto a su peso total. Enseguida se procesa esta porción como seindica a continuación:

1) Se lava la porción fina por la malla Núm. 0.300 hasta que el agua salga clara, se vierteen una charola el material lavado y se seca en el horno hasta peso constante a unatemperatura de cuento cinco más menos cinco grados centígrados (1055° C), se saca



248

del horno y se deja enfriar a la temperatura ambiente. A continuación se obtienenmediante cribado cien (100) gramos de cada uno de los retenidos parciales en las mallasmencionadas al iniciar este párrafo A) y se anotan estos pesos como Wi en gramos, conexcepción de los retenidos que representan menos del cinco por ciento (5%) en peso dela porción fina, los cuales se eliminan.

2) Se vacían por separado cada una de las fracciones de cien (100) gramos en lascanastillas con abertura equivalente a la malla núm. 0.150

B) Para la preparación de las fracciones de prueba de la porción gruesa, se ledetermina previamente a ésta su composición granulométrica de acuerdo con elprocedimiento que se indica en la cláusula 110-09 y utilizando las mallas núm. 75.0, 63.0,50.0, 37.5, 25.0, 19.0, 12.5, 9.5 y 4.75; se anotan los retenidos parciales en porcentajecon respecto al peso total de la porción, y se procede como se indica a continuación.

1) Se lava toda la porción gruesa por la malla núm. 4.75 hasta que el agua al pasar por elmaterial salga clara; a continuación, se vierte en una charola el material lavado y se secaen el horno hasta peso constante a una temperatura de ciento cinco más menos cincogrados centígrados (1055° C); se saca del horno y se deja enfriar a la temperaturaambiente.

2) A continuación se obtienen mediante cribado, para cada tamaño nominal, las fraccionesde prueba con los pesos de material indicado en la Tabla I, anotando estos pesos comoWi en gramos, con excepción de los retenidos parciales que representan menos del cincopor ciento (5%) en peso de la porción gruesa, los cuales se eliminan.

3) Se vacían por separado cada una de las fracciones de prueba en las canastillas conaberturas equivalentes a la malla Núm. 2.36

TABLA I

Tamaño nominal del materialclasificado, mallas Núm.

Fracciones con que se integrarán las muestrasMallas Núm. Peso en gramos Peso total

75.0 a 37.5 75.0 a 50.050.0 a 37.5

30003002000200

5000300

37.5 a 19.0 37.5 a 25.025.0 a 19.0

10005050030

150050

19.0 a 9.5 19.0 a 12.512.5 a 9.5

670103305

100010

9.5 a 4.75 9.5 a 4.75 3005

La prueba se efectúa en la forma siguiente:

A) Se agita vigorosamente la solución de sulfato de sodio o de magnesio parahomogenizar y enseguida se determina, con el densímetro, su peso específico relativo, elcual debe estar comprendido entre uno punto ciento cincuenta y uno (1.151) y uno puntociento setenta y cuatro (1.174); se vierten en cada uno de los recipientes de plástico concapacidad de veinte (20) litros, cantidades suficientes de la solución para que al introducir



250

En esta prueba se calcula el por ciento en peso que pierden la porción gruesa y la porciónfina en cada tamaño nominal, aplicando la siguiente forma:

i

f i

I W

W W W P

)(

En donde:

PI es la pérdida de peso que presenta cada tamaño nominal de las porciones gruesa ofina en por ciento.

W es el porciento en peso que de la porción fina o de la gruesa representa el tamañonominal considerado, corregido para tomar en cuenta únicamente las fracciones querepresentan más del cinco porciento (5%) de la porción fina o gruesa.

WI es el peso inicial de la fracción de prueba, seca, en gramos.

Wf es el peso final de la fracción de prueba, seca, después del quinto ciclo en gramos.

Al efectuar esta prueba deben tenerse las siguientes precauciones:

1) Verificar que las soluciones de sulfato de sodio o de magnesio tengan la densidadespecificada.

2) No dejar material atrapado en las mallas, cuando se haga el cribado después deefectuar el quinto ciclo y evitar pérdidas de material durante la prueba.

A continuación se incluye un ejemplo de cálculo de la perdida por intemperismo de lasporciones fina y gruesa de un material.

DETERMINACIÓN DEL INDICE DE DURABILIDAD

Para efectuar esta prueba se tomará en cuanta lo siguiente:

A) El índice de durabilidad es una medida de la resistencia que oponen los materialespétreos a producir finos perjudiciales cuando están trabajando en la obra bajo ciertascondiciones de humedad,. Su valor se expresa como un porcentaje que relaciona losvolúmenes de la fracción que se conserva gruesa y el de la fracción fina que se produce

durante la prueba.

Estos valores se emplean para juzgar la calidad de los materiales para revestimientos,sub-base y base de pavimento y definir su utilidad.

La prueba consiste en someter a una muestra de agregado pétreo, que determinadagranulometría, a un proceso de degradación por agitado húmedo.

El equipo y materiales necesarios para la prueba son los siguientes:



251

Lo que requieren para la prueba de equivalente de arena.

Recipiente para lavado mecánico.

Charolas redondas.

Agitador ―Tipo Tyler‖ para mallas, modificado para operar a doscientos ochenta y cinco

más menos diez (28510) ciclos completos por minuto.

Horno con control termostatito que permita mantener una temperatura de ciento diez másmenos cinco grados centígrados (1105° C).

Probeta con capacidad de mil (1000) centímetros cúbicos y graduaciones de un (1)centímetro cúbico.

Mallas con aberturas cuadradas, con las denominaciones que se indican a continuación:

Denominación de la mallaMilímetros

Referencia.

19.0 ¾‖ 12.5 ½‖ 9.5 3/8‖ 4.75 Núm. 42.0 100.850 200.425 400.250 600.150 1000.075 200

Balanza de cinco (5) kilogramos de capacidad y un (1) gramo de aproximación.

La preparación de la muestra deberá efectuarse como se indica a continuación:

A) Se toma y criba una porción representativa del material preparado como se indica en lacláusula 109-03, suficiente para obtener ocho (8) kilogramos de la fracción que pasa lamalla de diecinueve punto cero (19.0) milímetros y se retiene en la núm. 4 y como materialfino al que pasa esta última malla. Se desecha la porción retenida en la malla dediecinueve punto cero (19.0) milímetros.

B) Se separa la fracción gruesa según sus retenidos en las malla ½‖, 3/8‖ y Núm. 4

C) Se prepara el material grueso como se indica a continuación:

1) Se pesan y anotan las fracciones del material retenido en las mallas ½‖, 3/8‖ y Núm. 4;se determinan y anotan los porcentajes en peso que dichas fracciones representan delmaterial grueso.

2) Se integran dos (2) muestras preliminares pesando para cada una, las proporciones dematerial indicadas en la siguiente tabla, siempre que el porcentaje de cada una de lasfracciones determinado como se indica en el pubpárrafo 01) anterior, sea igual o mayor dediez (10)



252

Tamaño del material Peso de material seco en gramos¾‖ a ½‖ 105010

½‖ a 3/8‖ 550103/8‖ a Núm. 4 9005

Peso de la muestra 250025

3) Si el porcentaje de laguna o algunas de las fracciones, determinados como se indica enel subpárrafo C1) anterior es menor de diez (10), se calculan y pesan las porcionescorrespondientes para integrar las dos muestra preliminares como sigue: las fraccionescon porcentaje inferior a diez (10) se utilizan en la proporción en que se encuentra cadauna y las que están en un porcentaje superior al referido, se emplean en cantidadesproporcionales a los pesos que para las mismas se indican en la tabla anterior a fin decompletar los son mil quinientos (2500) gramos de cada muestra. Los siguientes ejemplosilustran lo descrito en este subpárrafo.

Ejemplo 1: La fracción del agregado de ¾‖ a ½‖ es menor del diez por ciento (10%).

TAMAÑO PORCIENTO CALCULO PESO DEL MATERIAL ENGRAMOS

TOLERANCIA

¾‖ a ½‖ 6 0.06*2500 150 10

½‖ a 3/8‖ 26

900550

)1502500(550

891 10

3/8‖ a Num. 4 68

900550

)1502500(900

1549 5

TOTAL 100 2500 25

Ejemplo 2: Las fracciones de los agregados de ¾‖ y de ½‖ y de 172‖ a 3/8‖ son menoresdel diez por ciento (10%).

TAMAÑO PORCIENTO CALCULO PESO DEL MATERIAL ENGRAMOS

TOLERANCIA

¾‖ a ½‖ 4 0.04*2500 100 10

½‖ a 3/8‖ 7 0.07*2500 175 10

3/8‖ a Num. 4 89 2500-(100+175) 2225 5

TOTAL 100 2500 25

4) Se coloca una de las muestras preliminares en el recipiente de lavado, se agregan milmás menos cinco (10005) centímetros cúbicos de agua destilada y simultáneamente sepone en movimiento el cronómetro.

5) Se ajusta la tapa sobre el recipiente del lavado, se coloca se fija dicho recipiente en elagitador mecánico y se inicia el agitado cuando el cronómetro registre un (1) minuto másmenos diez (10) segundos y se continúa éste durante un lapso de dos (2) minutos másmenos cinco (V5) segundos.



253

6) Al terminar el período de agitado, se quita el recipiente del agitador mecánico, seremueve la tapa y se lava el contenido sobre la malla Núm. 4 vaciando en una charola elretenido en dicha malla. Para facilitar el paso de las partículas finas a través de la malla,se debe aplicar sobre ésta un chorro de agua a baja presión hasta que el agua que pasapor la malla salga clara.

7) Se repite en la segunda muestra preliminar el procedimiento indicado en lossubpárrafos C4) a C6) anteriores. Y a continuación, se combina todo el material lavadoobtenido de ambas muestras y se saca hasta peso constante a una temperatura de cientodiez más menos cinco grado centígrados (1105° C).

8) Se saca el material del horno y se deja enfriar a la temperatura ambiente; enseguida sesepara según sus retenidos en las mallas ½‖, 3/8‖ y Núm. 4 y se desecha el material quepasa esta última.

9) Se separa la muestra de prueba según una (1) de las dos alternativas siguientes: Si la

muestras preliminares se prepararon según los pesos indicados en la tabla del inciso C2)anterior, se prepara la muestra de prueba de acuerdo con dichos pesos tomando lasporciones representativas de cada tamaño, del material lavado respectivo. Si los pesos dematerial lavado en la tabla antes referida se ajustaron según se indicó en el subpárrafoC3) anterior, se utiliza todo el material que representa el tamaño o tamaños inferiores aldiez por ciento (10%) obtenido de las muestras preliminares lavadas, y se incrementaproporcionalmente el peso del tamaño o tamaños restantes, de tal manera que se obtengauna muestra de prueba de dos mil quinientos (2500) gramos. Ocasionalmente puede sernecesario lavar una tercera muestra preliminar para obtener el peso requerido de materialde alguno de los tamaños.

D) Se prepara el material fino como se indica a continuación:

1)Se toma por cuarteo una porción representativa del material que pasa la malla Núm. 4,obtenida como se indicó en el párrafo A) de este inciso, en cantidad suficiente paraobtener quinientos más menos veinticinco (50025) gramos de material seco.

2) Se coloca esta porción en el recipiente de lavado, se agrega mil más menos cinco(10005) centímetros cúbicos de agua destilada y simultáneamente se pone enmovimiento el cronómetro.

3) Se ajusta la tapa sobre el recipiente de lavado, se coloca y fija dicho recipiente en el

agitador mecánico y se inicia el agitado cuando el cronómetro registra diez (10) minutosmenos treinta (30) segundos, se continúa durante un lapso de (2) minutos más menoscinco (5) segundos.

4) Al terminar el período de agitado, se quita el recipiente del agitador mecánico, seremueve la tapa y se lava el contenido sobre la malla Núm. 200, vaciando en una charolael retenido en dicha malla. Para facilitar el paso de las partículas finas a través de la malla,se aplicará sobre ésta un chorro de agua a baja presión, hasta que el agua que pasa porla malla salga clara. Cuando se trata de muestras arcillosas o limosas, puede ser



254

necesario agregar más agua al recipiente de lavado, después del período de agitado yantes de lavarlas sobre la malla Núm. 200, para evitar la obstrucción de ésta.

5) Se coloca en posición inclinada la charola que contiene el material lavado que seretuvo en la malla Núm. 200 y se deja en reposos hasta que el agua se vuelve clara y a

continuación se elimina ésta por decantación.6) Se seca al horno la muestra lavada, hasta peso constante, a una temperatura de cientodiez más menos cinco centígrados (1105 ° C), se saca del horno y se deja enfriar a latemperatura ambiente.

7) Se criba la muestra lavada y seca, por las mallas Núm. 10, 20, 40, 60, 100 y 200,usando el agitador mecánico durante un período de diez (10) minutos.

8) Después de cribada la muestra, se mezclan perfectamente todas sus fracciones,incluyendo el retenido en la charola de fondo y se obtiene por cuarteo la cantidad

suficiente para llenar en forma ligeramente excedida la cápsula metálica de ochenta ycinco (855) centímetros cúbicos de capacidad. Al llenar la cápsula, se golpea su parteinferior sobre una superficie dura, para facilitar el acomodo de las partículas.

El procedimiento de prueba es el siguiente:

A) Para el material grueso:

1) Se coloca la probeta de equivalente a arena sobre la mesa de trabajo, la cual nodeberá estar sujeta a vibraciones, se vierten en la probeta siete (7) centímetros cúbicos dela solución de reserva y se instala en dicha probeta el embudo.

2) Se vacía la muestra preparada en el recipiente de lavado, se agregan mil más menoscinco (10005) centímetros cúbicos de agua y simultáneamente se pone en movimiento elcronómetro.

3) Se ajusta la tapa sobre el recipiente de lavado, se coloca y fija dicho recipiente en elagitador mecánico, y se inicia el agitado cuando el cronómetro registra un (1) minuto másmenos (!0) segundos continuando éste durante un lapso de diez (10) minutos másmenos quince (15) segundos.

4) Al terminar el período de agitado, se quita el recipiente del agitador mecánico, se

remueve la tapa y para mantener los finos en suspensión se agita el recipientemanteniéndolo vigorosamente en forma circular cinco (5) a seis (6) veces.Inmediatamente después se vierte el contenido del recipiente sobre las mallas Núm. 10 y200 previamente acopladas y suspendidas sobre una charola limpia, en la cual sedepositará el material que pase dichas mallas.

5) Se vacía el contenido de la charola a una probeta de mil (1000) centímetros cúbicos decapacidad, se le agrega agua destilada hasta completar mil más menos cinco (10005)centímetros cúbicos; se agita manualmente la probeta para poner en suspensión lo finos einmediatamente después se vierte la suspensión a la probeta de equivalente de arena que



255

contiene la solución de reserva, hasta que el nivel del líquido en ésta, alcance la marca detrescientos ochenta y un (381) milímetros (15‖).

6) Se remueve el embudo de la probeta, se le coloca el tapón y se mezcla su contenido,volteándola alternativamente, de tal manera que la parte superior hacia arriba, de modo

que en un período de treinta y cinco (35) segundos la burbuja recorra veinte (20) veces lalongitud de la probeta.

7) Al terminar el proceso de mezclado, se coloca la probeta sobre la mesa de trabajo, sele quita el tapón y se deja en reposo durante veinte (20) minutos más menos quince (15)segundos. Al terminar este período se lee y registra la altura H de la columna sedimentad,con una aproximación de cero punto veinticinco (0.25) centímetros (0.10‖). Si después detranscurridos los veinte (20) minutos no se define la línea de demarcación, se deja laprobeta en reposo el tiempo necesario para que se forme dicha línea y cuando estoocurra, se lee y anota la altura de la columna sedimentada y el tiempo total requerido paraque dicha columna se forme.

B) El procedimiento de prueba para el material fino se efectúa de acuerdo con lo indicadoen el inciso 109-09.4 con la salvedad de que el período de agitado indicado en el párrafoF) deberá ser de diez (10) minutos más menos quince (15) segundos.

Se calculan y reportan los índices de durabilidad para los materiales grueso y fino en laforma siguiente:

A) Para el material grueso, se obtendrán los valores del índice de durabilidad utilizando latabla Núm. 1 o mediante la siguiente fórmula:

2958.57)059.029.0cot(8.203.30 H D g

En donde:

Dg, es el índice de durabilidad del material grueso.H, es la altura del sedimento en centímetros.57.2958, es el valor en grados de un radián.

B) Para el material fino, se calcula el índice de durabilidad mediante la siguiente fórmula:

100..

... x

arcilladelectura

arenadelectura D

f

En donde:

Df , es el índice de durabilidad del material fino.

C) Si el índice de durabilidad no es un número entero, se aproximará éste al inmediatosuperior.



256

D) Se reporta como índice de durabilidad al menor valor obtenido considerado tanto elmaterial grueso como el fino.

En esta prueba se tendrán las precauciones indicadas en el inciso 109-09.7correspondiente a la prueba de equivalente de arena y además se verificará

frecuentemente que no exista desajuste entre la leva y el agitador mecánico, para lo cualse tomará fijamente una de las barras de suspensión y se tratará de mover el apoyo delas mallas.

PRUEBA DE VALOR CEMENTANTE

La determinación del valor cementante de un suelo tiene por objeto conocer suscaracterísticas de acuñamiento y cementación, propiedades que influyen en la facilidad decompactación y que les permite conservar su estabilidad en estado seco. Esta prueba seefectúa sobre la fracción del suelo que pasa la malla Núm. 4 y su valor es una función dela forma y acomodo de las partículas, de la plasticidad de los finos y de otros fenómenosfisicoquímicos. Es conveniente que en todos los casos, los suelos que forman laestructura del pavimento tengan un cierto valor cementante; sin embargo debe tomarse enconsideración que un valor cementante alto puede ser ocasionado por la presencia definos muy plásticos, condición que no es deseable, por lo que siempre debe juzgarse elvalor cementante de un material relacionándolo con sus características de plasticidad.

Porción fina

GRANULOMETRÍA Peso de lafracción

fina, Wi (g)

PERDIDASMuestra corregida En 5 ciclos Respecto a la

porción fina PI,

(%)

Malla Núm. Retenidos

parciales(%)

Retenido

parcial W, g

g (%)

4.75 4.60 ------- ------- ----- -----

15.1100

2.4*3.27

27.1100

8.4*4.26

42.1100

0.8*8.17

27.1100

2.11*3.11

2.36 10.80 11.30 100 11.2 11.21.18 17.00 17.80 100 8.0 8.0

0.600 25.80 26.40 100 4.8 4.80.300 26.00 27.30 100 4.2 4.2

Pasa 0.300 16.40 17.20 -------

TOTAL 100.00 5.11



257

Porción Gruesa

GRANULOMETRÍA Peso de lafracción

gruesa, Wi,

(g)

PERDIDASMuestra corregida En 5 ciclos Respecto a la

porción gruesa

PI, (%)

Malla Núm. Retenidos

parciales(%)

Retenido

parcial W, g

g (%)

75.0 0 2825

34.1100

2.11*12

20.2100

6.9*23

60.3100

8*45

96.0100

8.4*20

63.0 0 4783 4.8

50.0 8 20 1958

37.5 12 1012

25.0 25 513 1525 8.0

19.0 20 45 67512.5 15 1008 9.6

9.5 8 23 3334.75 12 12 298 298 11.2

TOTAL 8.10Intemperismo acelerado de la muestra integral =8.1 %



258

Equipo para realizar la prueba; Máquina Los Angeles.

Esferas de acero, utilizadas para triturar el material dentro de la máquina Los Angeles.



259

CAPÍTULO 11

BANCOS DE MATERIAL

EXPLOTACIÓN DE CANTERA Y USO DE LA ROCA

ROCA Y AGREGADO DE MINERALES

En muchos proyectos, la roca tiene el inconveniente de removerse por medio devoladuras, pero en otras ocasiones este es un valioso recurso para recuperarse delterreno para la explotación de cantera y de minería. Este es un material económico ydurable para la construcción, y depende de la composición de la roca, esta algunas vecespuede producir químicos o minerales. Esta puede ser excavada como recurso primario, orecuperada como subproducto de la minería o tuneleo.

Los recursos de la roca pueden ser clasificados en las siguientes siete categorías en una

secuencia que refleja el incremento de valor en el mercado:

-Enrocamiento-Agregados para caminos, balasto y agregados para concreto-Escolleras y blindaje de roca-Minerales industriales tales como el Talco, potasio, sal, yeso, lutita, caliza y arcilla para laproducción de cemento, ladrillo, etc.-Roca arquitectónica incluyendo adoquín, bloques revestidos, y dimensión de roca.-Combustibles fósiles incluyendo carbón y petróleo-Agregados minerales que producen aluminio, acero, cobre y oro.

En lo económico, los grandes volúmenes en el mercado son los materiales deenrocamiento usados para la construcción de terraplenes y en los rellenos apisonados enlas minas. Ellos son los que tienen mayor demanda en términos de la calidad requerida, ymuchos tipos de roca son apropiados si se dispone de suficiente cantidad con laapropiada resistencia, tamaño, y formas. El bajo valor en el mercado sitúa el límite sobreel costo de producción. Estos materiales se explotan en lugares con bajo o ninguna capade material vegetal, y en minas subterráneas como un subproducto de la actividad minerao desarrollo de cavernas (Fig. 1.1). Para limitar los costos de acarreo, una forma es que laabertura del pozo o la explotación del banco sean cercanas al sitio de construcción, ydespués abandonarse una ves terminada la construcción.

El valor central en el espectro del mercado son los recursos usados para hacer ladrillos ocemento, y agregados para escolleras, balasto, bases para caminos, pavimentos,concreto. Estos deben conformados para rigurosos requerimientos de resistencia,durabilidad y contenidos químicos y minerales. Ellos tienen un valor intermedio y puedenextraerse económicamente debajo de delgados recubrimientos vegetales, o aun bajo laminería subterránea. Ellos pueden acarrearse grandes distancias mientras que aun hayamaterial provechoso, si el material de calidad apropiada no pueda encontrarse localmente.Por ejemplo, el granito triturado de una cantera de Escocia encuentra mercado en elCaribe, Norte América y Europa. La explotación eficiente de la cantera y la transportaciónpor agua permite el uso de productos Terminados de roca y refuerzo de Diques en Los



260

Países Bajos. Hace varios siglos, un canal de 40 Km. de cantera en la Montañas Vosgespara Strasbourg fue construido expresamente para transportar roca de Construcción a elRhine, de donde este fue grabada, para construir en sitios a cientos de kilómetros dedistancia.

Los volúmenes bajos con alto costo final en el espectro son los metales de agregadosminerales y minerales industriales. Estos incluyen agregados minerales metálicos talescomo el metal puro o silicato y sulfuro de metálico; evaporitas tales como la roca de sal,potasa, nahcolite, y dawsonita; minerales industriales tales como el talco, vermiculita,cristales de cuarzo, Fluorita, y yeso; recursos energéticos tales como el carbón (Fig. 1.2),carbón mineral oscuro y claro; y rocas decorativas para uso arquitectónico. Los materialescon la correcta combinación de propiedades son en pequeña provisión y por lo tantovaliosos, y pueden explotarse aun cuando su costo se alto. Ellos pueden sertransportados a grandes distancias: El carbón Australiano y Canadiense es embarcadohacia Japón; El mármol italiano y el granito sueco se emplean en trabajos de construcciónen Norte América. El mármol de Bolonia, Francia se uso en la estación de ferrocarril enTokio, Japón. Los Fosfatos de la faja minera de Florida se embarcan a todo el mundo.

El ingeniero de rocas a menudo es el encargado de la localización, evaluación de losmateriales y planeación de la operación de explotación. Esto incluye la provisión decaminos de accesos, determinación de la estabilidad y drenaje de la mina, y selección deplantas mecánicas tales como perforadoras, cargadores, trituradoras, y equipo de cribado.

EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS

Los cuatro grandes factores de influencia económica en la explotación:

Cantidad disponible de material con potencialidad de ventaCalidad del depósito en términos de criterio físico, mecánico y mineralógicoCosto de estabilización y operación de la canteraDemanda para el producto y proximidad del mercado (costo de transporte)

CANTIDAD Y CALIDAD DE LOS RECURSOS

La estimación de los recursos disponibles en un depósito de calidad uniforme requieresolo de mapeo de la extensión de sus afloramientos, perforaciones y muestreo. El costode la mina se incrementa conforme el pozo se más profundo. Este incremento es máspronunciado por una explotación desarrollada bajo el nivel freático entre mayor sea lacarga mayor será la fluencia del caudal y los requerimientos de bombeo. Aun en un pozoseco donde las juntas de las rocas son estrechas y considerablemente espaciadas o elnivel freático es profundo, el costo se incrementa tanto como se profundice el pozo debidoal incremento en las distancias de acarreo, reduciendo la estabilidad de los altos murosdel pozo y apretando más y dificultando las condiciones en el fondo.

La uniformidad lateral y la profundidad son importantes. Las variaciones locales en lacalidad pueden hacer que la explotación encarezca aunque muchos de los depósitospueden ser de productos valiosos. Por ejemplo, colores uniformes y atractivos sonvaliosos para la roca de construcción o en ladrillos recocidos, e inconsistencias en el color



261

de la roca o en los productos de arcilla recocida reducen grandemente su valor.Ínterestratificaciones y lentes de material deletéreo en un, por demás, excelente recursopara agregado de concreto debe someterse a una explotación selectiva por expansión,nuevo cribado y lavado y mayor control de calidad del producto.

Los requerimientos de calidad varían de un producto a otro. El criterio físico y mecánico,tal como el tamaño y durabilidad de los bloques son importantes para enrocamiento y rocade blindaje, mientras que el criterio químico controla el valor de un depósito de mineralindustrial, y el tamaño de los bloques, apariencia, y fácil de limpiar, son factoresimportantes cuando se selecciona una roca de apariencia arquitectónica.

PLANEACIÓN DE LA EXPLOTACIÓN

REQUERIMIENTOS PARA EL SITIO DE LA EXPLOTACIÓN

Una investigación puede no solo determinar la cantidad y la calidad del recurso, sinotambién el mejor método de explotación de minas y el equipo para rasgado, excavación,perforación, voladuras y procesamiento; los requerimientos para la adquisición de la tierra,caminos de acceso y servicio; el óptimo pozo y trazo de la pila de almacenaje; y elprobable efecto ambiental causado por la extracción. Los costos de investigación de unaparte del total incrementa el costo total, y debe tomarse en cuenta que debe hacerse juntocon la exploración y durante la vida de la cantera o mina. La investigación de sitios deexplotación incluye la evaluación de la roca, de la cubierta vegetal, y de las condicionesdel nivel freático (Rock Engineering) Esto debería basarse, en el análisis del ancho de labase, mediante métodos expansivos tales como revisión de datos geológicos y unreconocimiento de los afloramientos. Para completar el esquema se requiere deperforación con recuperación de muestras y pruebas de pozos superficiales y carrete dediamante para mapear la roca sólida y el espesor de la capa vegetal, para correlacionarlos índices de calidad del material de los núcleos e interpolarlo entre las perforaciones.

Fig. 1.1 La mina subterránea de roca caliza del siglo XIX al norte de París, Francia.



262

Fig. 1.2 Mina a cielo abierto de 110m de espesor de carbón café parecida a la mina Morwell cerca de Melbourne, Australia. El carbónes extraído mediante excavadora y se quema cerca de una estación de energía.

ADQUISICIÓN DEL TERRENO Y PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE

La posesión del terreno y de los derechos sobre los minerales, debe determinar los costosde renta, adquisición de la propiedad, o regalías. El permiso de acceso e impacto sobrelas propiedades adyacentes debe considerarse antes de que cualquier actividad en el sitiocomience. Nuevos costos a menudo incurren en rutas de acceso, plantas de electricidad ysuministro de agua.

En esas jurisdicciones se requiere de un permiso de explotación, el propietario debepermitir a autoridades de planeación y audiencia publica ambientalista el desarrollo de unprograma que minimice los problemas ambientales durante las explotación, y asegurar larehabilitación después de haya finalizado la explotación. La rehabilitación del sitiodespués de su explotación es raramente permitido hoy en día; sin embargo larecuperación es necesaria (Bauer, 1970).

Los peligros Ambientales incluyen:

-Daños a la vegetación natural y a la vida silvestre-Efectos sobre los mantos freáticos y el suministro de agua-Incremento en el tráfico y caminos vecinales-Impacto visual, vibraciones de voladuras, polvo, y ruido

La información es reunida en el sitio, el ambiente, los depósitos, y la operación misma,para determinar:

-Localización adecuada para la planta de procesamiento-Sitios para depósito (o venta) de desperdicio de roca y suelo-Sitios para almacenar el material de modelación del paisaje



263

-Programas simultáneos de explotación y rehabilitación

Por otro lado los bancos de grava y excavaciones en suelos y rocas suaves pueden sermoldeados (torneados) para desaparecer del escenario cuando los bancos sean cerrados,una explotación en roca dura permanecerá a menudo como un agujero en el suelo.

Dependiendo del que si el nivel freático es profundo o superficial, los sitios explotadospueden usarse como lagos artificiales o lugares de depósito de desechos. El último de losusos es de particular valor cerca de grandes centros urbanos donde hay a menudo unaaguda escasez de facilidades de depósito de desechos así como de demanda para laexplotación de roca. Un aumento concerniente a prevenir la contaminación del medio quees usado para depósito de basura debe estudiarse cuidadosamente. Los rellenos de tierraen bancos a menudo requiere de la construcción de barreras de arcilla, diseñadas confiltros de grava para control de la infiltración, y con un intensivo sistema de control ymonitoreo del agua subterránea. Solamente ciertos tipos de desperdicios pueden seraceptados.

DESPALME, ALMACENAMIENTO DE DESECHOS Y DEPÓSITO

El material de cubierta es definido como el desecho de suelo o roca que es removido paratener acceso al recurso subyacente. A menudo es expresado como un "relación dedesmonte" (volumen de material que cubre el recurso a explotar), este es importante parael potencial de la utilidades. La siguiente ecuación, por ejemplo, da el volumen V delmaterial de cubierta con un espesor t para un pozo cónico de profundidad Z un ángulo A.

3tan

][ 22

2

t tZ Z

A

t V

Para grandes, minas superficiales, los incremento en el costo del despalme son unaatenuante función de la profundidad, usualmente la profundidad se normaliza aumentandoen un rango de 1.2 a 1.5. Para geometrías complicadas, gráficas en computadora omanuales darán la relación de despalme para varias suposiciones del desarrollo de lamina.

La relación de despalme se incrementa rápidamente cuando el material de cubierta llega aser más grueso, y decrece con un incremento en el ángulo de la pendiente del pozo. Lasutilidades de la explotación demandan las pendientes más inclinadas que seanconsistentes con la seguridad. El valor de los materiales extraídos de grandesprofundidades es desplazado por el costo de despalme adicional y por la necesidad de

terreno adicional, el cual también incrementa en proporción cuadrática la profundidad delpozo. Algunas profundidades, dependen de la comodidad con la que puedan serexplotados, esta puede económicamente convertir de una mina a cielo abierto a unasubterránea.

El despalme es a menudo dividido en fases para distribuir los costos en un tiempo mayor,en lugar de hacerlo todo inicialmente. Una evaluación debe considerar los costos,intereses sobre préstamos y los costos de recuperación. El operador de la explotacióndebe localizar cuidadosamente vaciaderos de desperdicios y estanques de residuos. La



264

falta de prevención puede conducir a después necesitar una relocalización de pilas deanclaje, vaciaderos, estanques, oficinas, y plantas procesadoras.

Las fuentes de carga viva y agua en particular no deben ubicarse donde puedan inducirfallas de talud, o donde puedan causar dificultades de recuperación. Cuidar que los

almacenes de desperdicios puedan inducir contaminación a la roca y perder su valor. Lacapa superficial de suelo en grandes periodos puede alterar las propiedades físicas depilas de anclaje a través de la degradación química y bacteriológica.

Los depósitos no son costeables si los lugares apropiados no están disponibles cerca. Porotro lado, los productos secundarios de la explotación pueden venderse reduciendo estosmismos costos. La capa de suelo superficial siempre encuentra un mercado listo cerca delos pueblos y ciudades, pero algo de ella puede ser almacenado para su uso enrecuperación. Los desechos de roca o suelos granulares pueden ser apropiados comopara relleno en general o para aplicaciones más especializadas en caminos o taludes.Estos "desperdicios" pueden ser más baratos de procesar y vender que para rehabilitar.

Aun los viejos almacenes de desperdicios pueden llegar a ser, con el tiempo y elincremento de la demanda, económicamente explotables.

DISEÑO DE LA EXPLOTACIÓN

El diseño de la explotación puede considerar la necesidad para al menos trabajar en dosfases y para caminos de acarreo de grado y alineamiento que sean apropiados para elequipo y que den una ordenación adecuada al tráfico en la mina. Los transportadorespueden ser considerados como una alternativa para "uniformizar" la transportación(camiones o bandas). La explotación en una Ladera dará condiciones más favorables queuna excavada en hacia abajo en un terreno horizontal porque la gravedad asiste al lavoladura de banqueo, carga y acarreo, y las condiciones de drenaje.

El diseño de los muros de la mina es descrito en el capítulo 2. Los muros de lasexplotaciones superficiales en roca dura a menudo son verticales. En suelo más pobre oen minas más profundas, los muros deben ser banqueados o reducidos de en toda lapendiente para capturar la caída de roca. Las pendientes mayores en suelos y rocaintemperizada son excavadas en ángulos reducidos.

Un banqueo ancho es dejado en roca con superficie competente para captar losfragmentos de roca, debido a que la roca se erosiona o se desmorona cuando sondepósitos de cubierta de rocas menos competentes. Los caminos de acarreo en particulartienen que ser estables y estar protegidos de los fragmentos producto de explosiones.

CONTROL DEL AGUA DEL SUBTERRÁNEA (FREÁTICA)

El agua subterránea debe ser controlada para prevenir inundaciones o inestabilidad de lostaludes, además de mantener el acceso al fondo de la mina. Pequeños influjos a través delas rocas unidas estrechamente en la superficie de las minas puede remover fácilmente abase del resumidero.



265

Los requerimientos de bombeo que necesitan estimarse en relación a la conductividadhidráulica de la roca y de la cubierta superficial, y al agua subterránea preexistente. Puedeser necesario que el agua subterránea se controle antes de que esta llegue a la mina pormedio de una cortina de relleno expansivo o por medio de la instalación de un sistema dedesagüe (Rock Engineering).

Las presiones altas del agua subterránea pueden afectar a la estabilidad de los muros dela mina, y, en combinación con esfuerzos laterales altos pueden inducir un empuje haciaarriba y a un pandeo en el fondo de la mina. Las presiones son rebajadas por medio deperforaciones de drenaje o en casos extremos, por medio de la disminución del aguasubterránea o de la excavación de galerías de drenaje en el perímetro. Las medidas dedrenaje pueden a menudo ser justificadas en términos de las pendientes muypronunciadas y los reducidos requerimientos de despalme.

Los efectos de la erosión en la superficie a causa de los escurrimientos pueden conducir adesmoronamientos, perdida del escalonamiento (Banqueo) y caminos de acarreo, y unacostosa limpieza del fondo. Los canales perimetrales de escurrimiento y control son amenudo necesarios, aun para la derivación del cause del río y lagos de embalse paraobtener acceso al valioso recurso. Se requiere de un estudio hidrológico para considerarlos altos niveles del agua y probabilidad de inundación durante tormentas intensas.

COSTOS DE DESARROLLO Y OPERACIÓN

COSTOS DE DESARROLLO

La contribución a los costos de desarrollo son la adquisición del terreno, la exploración eingeniería, limpieza, despalme, excavación, pilas de anclaje, procesamiento,transportación, y mantenimiento o rehabilitación de la explotación de banco o de la mina.

COSTOS DE LA EXPLOTACIÓN DE BANCO

Los costos directos de la explotación de banco incluyen aquellos de ingeniería, despalme,voladuras, cargado, transporte, trituración y cribado. Es necesaria la optimización de lasperforaciones y las plantillas de voladuras (Rock Engineering). El objetivo es minimizar lasvoladuras secundarias y además producir un material de calidad satisfactoria, forma delos bloques y graduación. Cuando la roca explotada esta siendo procesada nuevamente,las limitaciones de la forma y el tamaño de dicha roca a menudo son impuestos por lacapacidad del equipo de trituración.

COSTOS DE ACARREO

La evaluación de la explotación del banco debe considerar la proximidad del mercado; elvalor de la roca disminuye, ya que es más importante la consideración del acarreo. Unrelleno de roca debe explotarse a pocos kilómetros del sitio de construcción; losagregados pueden ser transportados decenas de kilómetros; los minerales industriales,grandes bloques de roca intacta, y rocas ornamentales pueden ser exportadas a losmercados internacionales.



266

Los costos de los camiones de acarreo para agregados pueden acercarse a los costoscombinados de explotación y procesamiento, típicamente de 30 a 70% del precio deentrega, dependiendo de la distancia. Los costos pueden ser reducidos si los materialesse extraen en cantidades suficientemente grandes para justificar la transportación porcanal, ferrocarril o marítima.

En la región de los Grandes Lagos en Norte América, la roca triturada cercaría a la playa,transportada cientos de kilómetros en barcaza, puede ser competitiva contra losagregados granulares superficiales que debieron transportarse solamente 20 o 30kilómetros.

RELLENOS DE ROCA

Los rellenos de roca explotados son usados principalmente en la construcción de taludesde carreteras, presas, y rompe olas (Bruun, 1985); como roca de blindaje para laprotección contra la erosión a lo largo de las costas, riveras de los ríos, y presas de tierra;y como pisonador de relleno para soporte de las minas subterráneas.

TALUDES DE RELLENOS DE ROCA

TIPOS DE TALUDES

Los taludes para caminos, presas, y rompe olas pueden ser homogéneos, consiste de unamezcla de todos los tamaños (bien graduada), o zonificada para hacer mejor uso de losmateriales disponibles. La zonificación procede con suelo de grano fino y roca trituradacerca del núcleo del talud, y tamaños más grandes de roca más resistente en el exteriordel cuerpo, o como drenaje especial en la línea base y además como contrafuerte (Brandi,1980). Los taludes en presas requieren un núcleo o cubierta impermeable, usualmente dearcilla compactada o lutita, y la colocación de roca en las caras de aguas arriba y aguasabajo brindando mayor libertad de drenaje y resistencia a la erosión. En los caminos y enotros taludes no marinos pueden ser protegidos mediante empastado o sembrado, yraramente requiere de relleno de roca, excepto en forma de contrafuerte o contrafuertesde drenaje para controlar el deslizamiento (Rock Engineering).

Los taludes de relleno de roca son construidos son construidos por vaciado al final ocompactación. El método de vaciado al final es usado para roca fuerte, durable, mientrasque le método de la compactación es usado para lutita o rocas suaves e intemperizadasque se espera que se rompan para formar un material denso como relleno.

TALUDES DE VACIADO AL FINAL

La única compactación que dada al relleno compuesto de fragmentos duros y durables esaquella impuesta por el peso propio y por los bull-dozers y por los camiones de vaciado.Las elevaciones son algunas veces hasta 60 m, por economía y para alcanzar un realceen la compactación por impacto. La roca es traída de una banco en camiones que salenhasta completar las secciones del talud. Esta se vacía pendiente abajo de la cara enconstrucción y a menudo es deslizada con chorros de agua a presión (Lanzadores).



267

El propósito principal del deslizamiento es el lavado de los finos de la superficie de lasrocas y en los espacios vacíos entre la unión de dos rocas. Una razón secundaria es parareducir los fricción de los contactos entre bloque y bloque y así evitar que la degradaciónocurra durante la construcción en lugar de cuando este en servicio cuando el talud lleguea estar mojado totalmente por primera vez. Sherard et al. (1963) sugiere que un volumen

de agua igual a 30 o 50% del volumen de la roca deberá ser suficiente en la mayoría delos casos para alcanzar el atenuamiento necesario.

Aun si la roca explotada es densa, los taludes de roca tienen una substancial porosidaden virtud de los vacíos entre rocas. La macroporosidad, la relación del volumen entrebloques al volumen total del relleno, puede variar entre 18 y 35 %; macroporosidadesmenores y densidades mayores serán alcanzadas por taludes construidos porcompactación usando los tipos de atenuadores de roca. Los volúmenes para el relleno deroca requeridos a menudo se estiman por la experiencia; sin embargo, pruebas decompactación de materiales típicos pueden emprenderse. Una vez que el rango de lasmacroporosidades alcanzable es conocido, el volumen de banco de roca a explotarVexplotado pude calcularse:

100

100exp

mrellenolotado

nV V

Donde nm, es la macroporosidad determinada como porcentaje.

TALUDES DE ROCA COMPACTADA

Los tipos de atenuadores de roca, especialmente lutitas, son rasgados primero, despuéscompactados hasta alcanzar el tamaño máximo de degradación durante la colocación y

por lo tanto limitar la degradación asociado con el asentamiento de ahí en adelante. Laroca es colocada en capas de un espesor de un metro aproximadamente, no más gruesasde una o dos veces el diámetro del bloque de roca máximo permisible (Fig. 1.3).

Las rocas suaves pueden romperse en tamaños apropiados por medio de voladuras orasgado en el pozo de préstamo, o pueden ser dejadas a la intemperie por unatemporada, tomando ventaja de la ruptura natural. Las rocas usualmente se mojandespués de colocarlas para ayudar a la compactación. Los rodillos pata de cabra,apisonadores y los pesados rodillos vibratorios lisos deslizarán y compactaránnuevamente los bloques. En las capas más gruesas se puede permitir el uso de métodosde compactación dinámica por medio de la caída repetida del gran peso de una grúa. Los

impactos romperán el contacto de los bloques, incrementando en gran medida la densidaddel material colocado.



268

900

800

700

600

500

400

300

2.2

2.0

1.8

1.6

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0

3.02.01.0 6.05.04.0 8.07.0 9.0

L i f t t h i c k n e s s ( m m )

major problems

few minor problems

C o m p a c

t e d f i e l d d e n s i t y ( t / m ) 3

plasticclay shalesretainwater

rock-likeshalesretainvoids

weak shaleseasy tobreak down

Shale rating (Franklin, 1988)

Major Problems: Mayores problemas.Few minor Problems: Menores problemas.Lift Thickness (mm): EspesorPlástic clay-shales retain water: Lutitas arcillosas plásticas que retienen aguas.Rock like shales retain voids: Rocas como lutitas con vacíos.Weak shales easy to break bown: Lutitas débiles fácil de romperse.Compacted fíeld density (t/m3): Densidad compactada en campo.Shale rating, (Frankiin, 19 88): Tipo de Lutita.

Fig. 1.3 Espesor y Densidad Compactada de un terraplén de Lutita como función del tipo de arcilla (Frankiin, 1983).



269

ESPECIFICACIONES

Las especificaciones de construcción pueden estipular el resultado final (la calidadrequerida del talud terminado), o los métodos para usar la compactación. El tipo deEspecificación resultado final (la calidad) llamado por la determinación de la relación

contenido de humedad-densidad usando las pruebas de compactación de la mecánica desuelos, siguen por medio de la medida en el sitio de las densidades y los contenidos dehumedad para verificar que esa compactación necesaria ha sido obtenida (Lovell, 1983).Estas mediciones son más difíciles y menos confiables en los rellenos de roca que en losde suelo, y a menudo una alternativa preferida es dar un procedimiento de especificación.Estos son estandarizados en términos del equipo de energía especifica (Q) y área (S)para materiales y espesores de capa en particular (e.g., Brauns et al., 1980). Losdepartamentos de carreteras y otras autoridades en construcción proveen esasespecificaciones para normar a los constructores.

COMPORTAMIENTO DE LOS TALUDES

Los asentamientos de un talud de roca durante su construcción raramente son de interés;a largo plazo es cuando estos ocasionan problemas. La cantidad de los asentamientostípicos son del 1% del peso total del talud después de alrededor de 10 años y soninevitables, aunque estos se pueden minimizar por medio de buenas prácticas deconstrucción (Fig. 1.4). Estos son el resultado de la degradación (atenuación ydesintegración) de los bloques causada debido a los altos esfuerzos a que estánsometidos los puntos de contacto entre bloques ayudado por el desmoronamiento yalgunas veces la expansión. Los asentamientos excesivos son a menudo asociados conlos tipos de roca que son difíciles de compactar adecuadamente, aun están demasiadosueltos para servir en un talud de vaciado al final. La roca de relleno con más de 3% deminerales de arcilla (esmectita) pueden dar asentamientos a largo plazo mucho mayoresdel 1%.

ESCOLLERAS Y BLINDAJE DE ROCA

ESCOLLERAS

Las escolleras se sitúan en los hombros de un talud de tierra, relleno de roca menosdurable, o de tamaño pequeño para protegerlo contra la erosión y el intemperismo. Laprotección es proveída por roca suelta, junteada con lechada o mortero, concreto enbolsas, o en losas y mampostería. Los bajos costos y la alta durabilidad de muchos tiposde roca, cuando están disponibles, hacen de ellos el material ideal para este propósito.

Las escolleras pueden ser de vaciado al final y graduadas o escalonadas con un bull-dozer trabajando desde la línea base del talud aun después o durante la construcción. Entaludes planos, la roca puede ser colocada directamente mediante vaciado al final sobre lacara del talud. Mano de obra con barras puede ser necesaria para ajustar la posición delos bloques y asegurarse de que los vacíos están llenos (Campbell, 1966). Las escolleraspueden ser también colocadas a mano o bloque por bloque. Sin embargo, un estudiohecho por U.S. Corps of Engineers encontró que una escollera colocada a mano hafallado seis veces más que una que fue vaciada y ambas con el mismo espesor.



270

Para protección en ríos y canales, la punta de la escollera se debe extender bajo el lechode la corriente en el fondo de una zanja o sobre la superficie del lecho como una cubiertapara proteger contra la erosión de la turbulencia. Las condiciones de erosión sonespecialmente severas donde la escollera se une con el terreno natural desprotegido. Esnecesario particular cuidado para el diseño y construcción de transiciones suaves en esos

puntos.Una capa de filtro debe colocarse bajo la escollera a menos que el banco de materialreúna los requerimientos del filtro. Los filtros son diseñados para asegurar que laspartículas no laven a través de la escollera causando filtración, tubifícación y perder laintegridad de la capa protectora. El filtro puede consistir de un geotextil fabricado o unacubierta granular de grava o de roca triturada con una apropiada graduación. A menudoun filtro granular y un geotextil se usan juntos. Los filtros de material granular sonusualmente de 150 a 375 mm de espesor, con una cuidadosa selección del tamaño de losgranos. El Filtro relación se define como el 15% del tamaño de las partículas (D 15) quepasé la malla gruesa dividido entre el 85% del tamaño de partículas (D85) que pase lamalla de finos. El filtro relación deberá ser menor de 5 para escolleras vaciadas. Como unrequerimiento adicional, el relación de tamaño D15 para la escollera y el banco deberá sercinco veces más grande pero menor de 40. Para mallas múltiples, las curvas degraduación de mallas adyacentes deberán ser paralelas entre ellas hasta alcanzar unmínimo total del grueso del filtro (U.S. Army Corps Of Engineers, 1987).

ROMPE OLAS Y BLINDAJES DE ROCA

Los aspectos del diseño de los rompeolas para asegurar que los restos de roca a pesarde la acción de las olas, e intacto a pesar de intemperismo extremo (Bruun, 1985). Undenso relleno, talud zonificado es protegido por grandes bloques de blindaje de roca.

Cuando los grandes no están disponibles, la de tamaño pequeño pueden ser confinadasen gavión mediante redes de alambre o colocarlos sueltos y cementarlos juntos por mediode una lechada de cemento. Las redes de gavión llenadas con roca pueden ser enlazadas

juntas a una placa de revestimiento, o puede estar libre o anclada a la roca o suelosubyacente (Rock Engineering). La roca local puede usarse como agregado para hacergrandes "tetrápodos" de concreto, los cuales, debido a su natural enlace, son efectivospara disminuir la energía de las olas.

RELLENO DE MINAS

Los rellenos de rocas también se emplean en la estabilización y relleno del subsuelo deminas a cielo abierto. También pueden usarse como una alternativa, desperdicios deprocesos, o como complemento de esos materiales en circunstancias especiales.



271

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.42 4 10 20 40 100 200 400

Time after completion (months)

s e t t i e m e n t ( % )

Settiement (%): AsentamientoTime after completion: Tiempo después de la finalización.

Fig. 1.4 Asentamientos típicos antes de la construcción de presas de enrocamiento.



272

Weight of stone (t)0.09 0.71 2.38 5.66 11.06 19.11

7

6

5

4

3

20 200 400 600 800 1000 1200

equivalent spherical diameter of stone (mm)

W a t e r

v e l o c i t y ( m / s )

c h a n n e l w

a l l s l o p e

1 2 : 1 o r b o t t o m

3 : 1 ( 1 8 ° )

2 : 1 ( 2 6 ° )

1. 5 : 1 ( 3 3 ° )

1 : 1

( 4 5 ° )

Weight of stone (t): Peso de la roca.Water velocity (m/s): Velocidad del agua.Equivalent spherical diameter of stone (mm): Diámetro equivalente de la roca.

Fig. 1.5 Tamaño de roca de escollera, densidad 2.64 T/m3, como función de la velocidad del agua y pendiente del canal (Campbell,1966).

REQUERIMIENTOS DE CALIDAD Y PRUEBAS

VISIÓN GENERAL DE REQUERIMIENTOS

Los rellenos de roca para la construcción de taludes deberán ser los suficientementedébiles para permitir la ruptura y la compactación, o lo suficientemente fuertes parapermitir el vaciado sin compactación. Las escolleras y los blindajes de roca tienen que sera la ves fuertes y durables. Todos los materiales deben cumplir con los requerimientos degraduación; usualmente se requiere que sean bien graduados, es decir, que tenganbloques de todos los tamaños (escala lineal sobre escala logarítmica) para permitir unaalta densidad de empaque. Estos deben estar disponibles en cantidad suficiente cerca delsitio de la construcción.



273

RESISTENCIA Y DURABILIDAD

Los materiales locales a menudo no son ideales, pero los taludes pueden ser construidoscon algún tipo de roca, con las limitaciones del mismo material una ves reconocidas y eldiseño y los métodos de construcción de estos se escogen dependiendo de estas

circunstancias.Las lutitas, limolitas, yeso y rocas severamente intemperizadas a menudo pueden estar yacompactadas, pero los depósitos deberán ser de roca con calidad uniforme. La altaporosidad del yeso puede presentar problemas si este se ha dejado secar antes de lacompactación: pueden ocurrir grandes hundimientos en la corteza en el secado.

Lovell (1983) y Franklin (1983) discuten en mayor medida los detalles de losprocedimientos de las pruebas y la clasificación de las lutitas para la construcción de lostaludes. La medición de las características de compactación para diseño incluyen lasrelaciones de contenido de humedad - densidad y compactación - degradación, uncomportamiento de compresión dimensional en un odómetro, y el registro de una pruebatriaxial no drenada en muestras no saturadas. Los resultados del las pruebas triaxiales yla del odómetro permiten la predicción del asentamiento y la estimación de la estabilidadde las pendientes del talud. Hale et al. (1981) describe métodos para medición de ladegradación de las lutitas en términos del porcentaje de cambio en partículas de tamañopromedio durante la compactación. Con algunas modificaciones, estos métodos puedenser usarse para evaluar limolitas, yeso y otros materiales de transición, pero se requierede precauciones especiales donde se presentan grandes cantidades de lutitasexpansivas.

La roca puede usarse como blindaje en trabajos marinos pero necesitan ser de particulardureza debido a la acción agresiva del humedecimiento y secado continuo, a menudo concongelamiento y deshielo, y la cristalización de sales cuando la roca se sitúa en aguasalada. El tipo de roca más apropiada es la ígnea masiva tal como el granito o los lechossedimentarios de caliza y arenisca, libre de fisuras o planos de falla y con gran cohesiónintergranular y una baja porosidad y permeabilidad. La cuarzita y los cristalescarbonatados densos se usan a menudo.

Las pruebas para evaluar la el tipo más apropiado de dureza para enrocamientos,escolleras, y blindajes de roca pueden, por ejemplo, incluir la evaluación de resistenciapor carga puntual, paralela y perpendicular a los planos de falla, medida de la densidad yla porosidad y evaluación de los materiales cementantes y de la textura de la roca pormedio de exanimación de muestras de mano y de secciones delgadas bajo elmicroscopio. Las pruebas sobre pequeñas piezas de roca, sin embargo, dan informaciónde valores limitados cuando se emplearán grandes bloques de roca para propósitos deconstrucción.

Los grandes bloques permanecen así solo si estos están libres de defectos tales comomicro fisuras y estratos pizarrosos o micáceos. La evaluación deberá completarse con lainspección del comportamiento del intemperismo de los bloques expuestos a loselementos por un cierto número de años en viejos taludes, explotaciones de banco o



274

afloramientos naturales. La intemperización acentúa las fisuras, y provee de excelenteinformación del comportamiento de la roca a largo plazo.

Las pruebas de abrasión e intemperismo acelerado se sugieren para evaluar ladurabilidad de la roca que será usada para escolleras. La resistencia a las sales en un

camino salado o algunas otras fuentes pueden evaluarse por medio de la prueba defirmeza del sulfato (Prueba AASHTO T104 para manto rocoso usando sulfato de sodio).La roca debe tener una perdida que no exceda el 10% después de dar cinco ciclos. En laprueba de abrasión de Los Ángeles (Prueba AASHTO T96), la roca tiene que tener unporcentaje de pérdidas de no más del 40% después de 500 revoluciones. En la prueba decongelamiento y descongelamiento (Prueba AASHTO T103 para manto rocoso,Procedimiento A), la roca deberá tener perdidas que no excedan el 10% después de 12ciclos de congelamiento y descongelamiento. El deterioro de la roca causado por losefectos de la sal y el congelamiento-descongelamiento pueden evaluarse mediantemediciones a velocidad sónica.

La modelación numérica para predecir el comportamiento de un talud de enrocamiento(usualmente de una presa) denominadas pruebas triaxiales a gran escala para lamedición de propiedades tales como módulos de deformabilidad y de resistencia. Eltamaño máximo de partícula que puede ser probado esta en un rango de 50 a 200 mm,dependiendo de la celda de prueba disponible. El relación máximo de partícula delprototipo para esa prueba no deberá exceder de 6.0 para obtener resultados significativos(Lo, 1982). La prueba del odómetro a gran escala puede modificarse para determinar lascaracterísticas de consolidación, con extrema cautela debido a la escala de los efectos. Laprueba de compactación en escala menor seguida de la de humedecimiento, puede serun útil indicador del comportamiento.

GRANULOMETRÍA

El comportamiento mecánico de los rellenos depende de la distribución de tamaños y deltamaño absoluto de los bloques, la forma y el estado del relleno definido por medio de laporosidad y relación de los vacíos (Lo, 1982). Los enrocamientos deben ser biengraduados; lo que significa, que su tamaño debe seguir una línea granulométrica recta yplana en escala logarítmica. Los bloques pequeños ocupan los espacios dejados por losgrandes, dando una densidad al relleno, y reduciendo el potencial de asentamiento a largoplazo.

Las especificaciones granulométricas generalmente excluyen los tamaños muy grandes ylos fragmentos redondeados, aunque en algunos taludes, los bloques pueden tenerdiámetros hasta de un metro. La incorporación de grandes bloques, particularmente si sonredondeados, complican la compactación y por lo tanto aumentan los vacíos del taludterminado. Los bloques grandes y las losas que algunas veces se remueven durante lacolocación del relleno, se usan en los hombros o en la línea base del talud donde nopresentan problemas y donde además pueden contribuir a la protección contra la erosión.

Las escolleras también deben ser bien graduadas. La U.S. Waterways Experiment Stationrecomienda que para un requerimiento del 50% del tamaño k, el 100% de la escollera



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deberá ser más chico que 3k; 80% más chico que 2k; 50% más chico que lk; y no más de10% más chico que O.1k (Campbell, 1966).

Es necesaria una voladura cuidadosa para producir la granulometría requerida y evitar laproducción de tamaños mayores, menores o redondeados. Esto es llevado a cabo si el

espaciamiento natural entre las juntas da aproximadamente las formas y granulométricascorrectas de los bloques sin trituración secundaria. Los bloques de tamaños mayorespueden dejarse en el banco, o pueden romperse mediante voladura secundaria,trituradoras neumáticas, o caída de martillos esféricos.

TAMAÑO DE LOS BLOQUES PARA RESISTIR EL FLUJO DEL AGUA

El material de gran tamaño es esencial para trabajos marinos pero estos pueden serarrastrados por la acción de las olas. Bloques de tamaños hasta de 3 mm han sidoarrastrados varios centímetros en condiciones de tormenta en la costa Atlántica deFrancia. La resistencia de las escolleras al desplazamiento debido al movimiento del aguaen un río o un canal depende del peso, tamaño, forma, y granulometría de la roca; laprofundidad y la velocidad del agua; la inclinación de la pendiente protegida; la efectividaddel filtro subyacente; y la protección de la línea base y los bordes aguas arriba y aguasabajo. El tamaño requerido de la roca esta en función de la velocidad del agua y el lado dela pendiente del talud es mostrado en la Fig. 1.5. Cuando la profundidad del flujo excedede alrededor de 3 m, un valor de 0.4 veces la profundidad total se usa en la determinaciónde la velocidad del flujo contra la roca (Campbell, 1966).

FORMA DE LOS BLOQUES

Cualquier tipo roca se usa en enrocamiento, escollera, y blindajes de roca, excepto rocassuaves porque pueden romperse durante la compactación, deberá ser un bloque de formacercana a equidimensional. Los bloques prismáticos o redondeados son difíciles de situarpueden causar vacíos que de alguna manera diminuyan la trabazón del relleno. Estoexcluye el uso delgada capa de roca sedimentaria y metamórfica con mica a lo largo delos planos de Fisilidad. La roca debe consistir un banco de roca anguloso, y las rocasredondeadas son raramente aceptables.

AGREGADOS PARA BALASTO, CONCRETO Y PIEDRA TRIRURADA PARA CAMINOS

TIPOS Y USOS

Los agregados de roca triturada han sido usados desde tiempos antiguos. Tan antiguoscomo 600 a.C., los Babilonios construían caminos usando un conjunto de losetas enmortero asfaltado y cubierto por banderas con los espacios intermedios llenos por rocaquebrada (Hosking, 1970). Algunos caminos Romanos fueron pavimentados con capas deagregados ligados con mortero, las partículas de tamaño diminuto cerca de la superficie.Los caminos más transitados fueron proveídos de una capa de desgaste a base debanderas unidas con mortero. Los aglutinantes Bituminosos fueron usados por los Incasen Sudamérica; miles de kilómetros de caminos asfaltados con esa base fueronconstruidos en los Andes.



276

Hoy, los aglutinantes son mejores y más variados. Los pavimentos flexibles incorporanaglutinantes termoplásticos, usualmente el asfalto, y los pavimentos rígidos tienen unaglutinante de cemento portland. Una subbase, de usualmente 150 a 450 mm de espesor,se construyes de agregado que distribuye la carga de los vehículos que pasan la capasubyacente la subrasante de suelo y roca. La capa superior del camino, la base es

construida con el más alto grado de materiales, usualmente con un espesor de 150 a 250mm. Esta puede llevar poco concreto, revestida con roca triturada, concreto asfálticorodillado, suelos granulares estabilizados con cemento, o agregado no cementado(grava). A menudo hay dos superficies, superficie de base y una superficie de desgaste.Una capa de roca cincelada que a menudo es compactada en una capa caliente deasfalto en los carriles de tránsito para dar una superficie de rodamiento resistente.

La roca explotada y triturada de banco compete con los agregados naturales (arenas ygravas), las cuales son más económicas de excavar y requieren menos procesamiento(Shergoíd, 1960). En Ontario, por ejemplo, dos terceras partes de los requerimientos dearena y grava son satisfechos por depósitos naturales y solo una tercera parte por rocatriturada. La demanda total se incrementa en un 100% por década aproximadamente. Amenudo la roca triturada en más resistente más durable con mejores granos, forma, ycaracterísticas de rugosidad superficial; los ángulos de fricción para roca triturada puedenser de hasta 13 grados, mucho mayores que los de las gravas redondeadas (Eerola yYlosjoki, 1970). Esto se convierte a un incremento del 57% de la resistencia al corte enrellenos, superficies bituminosas y concreto. La roca triturada es menos probable quecontenga arcilla y partículas de polvo fino y otros contaminantes dañinos.

CALIDAD Y PRUEBAS

VISIÓN GENERAL DE LOS REQUERIMIENTOS

La calidad de los agregados debe cumplir con varios requerimientos relacionados con laspropiedades físicas, mecánicas y químicas*. Cada agencia tiene sus propiasespecificaciones y pruebas (e.g., ASTM, 1978;Arquie, 1980; Tourenq y Denis, 1982; Aitcinet al., 1983; Rogers y Magni, 1987).Las técnicas para la evaluación y prueba de losagregados para caminos y balasto son similares a las de agregados para concreto,aunque la compatibilidad con el cemento portland ya no es más un resultado, y el criteriode aceptación para pruebas particulares a menudo son diferentes.

RESISTENCIA DE LAS PARTÍCULAS Y CONTAMINANTES

Los agregados de roca triturada para concreto deben ser tan resistentes al menos como lamatriz del mortero de cemento. Las rocas con porosidad alta, intemperizadas y más laslutitas se evitan debido a la baja resistencia y a la tendencia a degradarse con el uso. Losmateriales Deleterous incluyen arcilla y trozos de lutita y materiales intemperizados quedebilitan el agregado, y granos y capas de sal que reduce la resistencia del cementante yretarda el tiempo de fraguado de una mezcla de concreto. Los Sulfuros causan oxidacióny deformación y las sales contaminantes incrementan la corrosión del refuerzo de acerodel concreto. Estos materiales deben ser identificados como parte del estudio petrográfico(Mienlenz, 1963).



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Las gravas naturales pueden contener gran cantidad de rocas distintas, mientras que laroca triturada es de un solo tipo. Con varios tipos de roca, se requiere de una medición dela calidad total. Una forma de evaluar esto, es mediante la medición del númeropetrográfico (PN), el cual refleja los porcentajes de diferentes tipos y calidades de roca. Elmétodo de evaluación es visual y hace uso de un microscopio estereoscópico, una navaja

de bolsillo y ácido clorhídrico rebajado. La categoría petrográfica se basa en gran medidaen el tipo de roca, intemperización y resistencia. Esta es una prueba útil y rápida, aunquees necesaria la experiencia para obtener datos reproducibles.

Una muestra de cerca de 200 partículas de cada tamaño se subdivide en categorías deroca y después en agregados buenos (factor ponderado de 1), agregados regulares(factor ponderado de 3), agregados pobres (factor ponderado de 6), y agregadosdeletéreos (factor ponderado de 10). El PN se obtiene mediante la multiplicación deporcentajes de cada grupo por el factor ponderado correspondiente y después sumandolos productos. El más bajo PN, es el mejor agregado; una muestra compuestaenteramente por agregados buenos deberá tener un PN de 100. Para un pavimento deconcreto en Ontario, solo se usaron agregados con un PN de 125 o menores, y para unconcreto estructural el máximo permisible es PN de 140.

La competencia mecánica de una roca como material para agregado puede evaluarseusando los procedimientos de prueba índice estándar para roca, de los cuales la pruebade resistencia de carga puntual (Rock Engineering, Capitulo 2) es uno de los másconvenientes. Este se puede usar sobre un núcleo o muestras de afloramientosirregulares de un sitio con potencial de explotación, o sobre partículas individuales deagregados triturados. Como una alternativa para medir las propiedades de losespecimenes de roca de un banco, se puede probar un volumen de muestras deagregados triturados. Por ejemplo la prueba de Abrasión de Los Ángeles sujeta a unamuestra de 5 Kg. de agregado por impacto en un tambor rotatorio. La muestra, se mezclacon una carga de bolas de acero, se rota 500 revoluciones a 33 r.p.m. El desgaste semide mediante la remoción y cribado de la muestra en una malla de 1.7 mm; la cantidadque pase por la malla expresado como porcentaje del peso de la muestra original. Eldesgaste típico permitido es de 50% cuando la roca es para emplearse en concreto, y60% para cuando se empleara como base granular.

ABSORCIÓN, DURABILIDAD Y FIRMEZA

Las pruebas de absorción de agua estiman la porosidad de una roca. Las rocas porosasson débiles y requiere más agua para darle trabajabilidad a la mezcla de concreto; por lotanto da concretos de bajas resistencias. La roca absorbente es además más caro secarlapara usarla en una mezcla caliente de asfalto. Compensando estas desventajas, las rocasporosas y absorbentes dan de alguna manera un mejor enlace con el cemento y el asfalto,debido a su gran superficie rugosa.

En una prueba de absorción típica, una muestra de 3 Kg. de agregado se coloca en aguapor 24 hr, después de la cual las partículas se remueven y se secan con toalla. Lamuestra con superficie seca saturada se pesa, y después se seca en el horno y se pesanuevamente. La absorción se expresa como la relación del agua absorbida al peso de laroca seca. El Ontario Ministry of Transportatíon especifica una absorción menor del 2%



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para agregados de concreto, aunque este requerimiento puede disminuir si elfuncionamiento en el campo se ha mostrado ser satisfactorio.

La prueba de desmoronamiento - durabilidad (Rock Engineering) es insuficientementeagresiva para evaluar la susceptibilidad a la congelación o resistencia a las sales de los

climas costeros y aquella que emplean hielo derretido sobre carreteras pavimentadas. Elintemperismo acelerado es simulado por medio de pruebas de congelación ydescongelación o de "firmeza" en soluciones saturadas de sales de sulfato de calcio omagnesio. Las presiones substanciales se generan en el poro mediante la cristalizaciónde sal, hidratación, absorción de agua, expansión de hielo, y estos por lo tantosimultáneos puede no ser siempre realísticos.

ASTM C-666 mide la congelación - descongelación durabilidad a especímenes deconcreto (o roca) para rápida congelación en aire y descongelación en agua. Una pruebacontinua de 300 ciclos o hasta que el modulo sónico de elasticidad decrezca en 40%. Unfactor de durabilidad se en términos de la velocidad de reducción de la firmeza que resultade un fisuramiento interno.

En la prueba de firmeza del Sulfato de Magnesio (ASTM C-88), una muestra de agregadose sumerge en una solución saturada de sulfato de magnesio por 16 hr, después se secapor 6 hr a 110 grados centígrados. Después de cinco ciclos tales que, la muestra se lavapor 36 hr para remover la sal, se seca, y recibida en los tamices originales. La cantidad deagregado que pasa la malla original se expresa como porcentaje del peso original. Lasespecificaciones de Ontario requieren que las perdidas sean menores al 12%. Si lasmuestras han satisfecho el criterio de funcionamiento en el campo, para concreto yagregados con perdidas arriba del 20% se aceptan algunas veces.

REACCIÓN ALCALI-AGREGADO

Una reacción ocurre lentamente entre ciertos tipos de roca para agregados no deseablesy el álcalis (compuestos de sodio y potasio) en la pasta de cemento (Diamond, 1975,1976). Esto produce un gel que se expande, generando fisuras que debilitan el concreto(Fig. 1.6).

En climas fríos, las fisuras permiten el paso del agua la cual se congela. Se acostumbrausar la sal para deshelar los caminos la cual también tiene acceso a las fisuras,acelerando la ruptura del concreto, y también corroe el acero de refuerzo en las latitudesnorte a menudo el resultado del deterioro secundario por congelamiento -descongelamiento es más importante que el fisuramiento primario.

El daño estructural y estético puede ser severo como lo muestra un estudio de más de300 estructuras de concreto y trabajos de ingeniería en la ciudad de Quebec (Fournier etal., 1987; Bérubé y Foumier, 1987; Foumier y Bérubé, 1989).

Las reacciones álcali - agregado pueden desarrollar en cualquier época y son difíciles dereconocer y predecir. Las señales exteriores son desgajaduras, fisuras poligonales yagrietamiento, aeurolas lechosas alrededor de las fisuras, desmoronamiento de los



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agregados, extrución del material de la junta, deterioro del acero por corrosión, y pandeode los pilares.

Las reacciones son clasificadas en álcali - carbonato, y álcali - sílica (o silicato). Elproceso más importante en la categoría álcali - carbonato es dedolomitización expansiva

de un tipo especifico de carbonato que la roca contiene y es igual a la cantidad de calcitay dolomita, y la cantidad substancial de ilita (Capitulo 41 en ASTM, 1978). Los tipos deroca reactiva en la categoría de álcali - silica incluyen las vítreas como el ópalo y lacalcedonia, algunos tipos de pedernal, cuarzo microcristalino, particularmente cuando sedeforma (Capitulo 40 en ASTM, 1978).

El problema puede evitarse usando cemento de baja álcali o mediante la exclusión de losagregados reactivos.1 El contenido de álcali del cemento ha sido incrementada en añosrecientes debido a los cambios en los métodos constructivos, y puede ser hasta de 1.35%(Na20 equivalente). Un contenido de menos del 0.6% es considerado como baja álcali ygeneralmente produce insignificante reacción, las rocas reactivas pueden identificarse pormedio de técnicas de microscopio y químicas, o con mayor confiabilidad mediante laexpansión de cilindros de rocas o prismas de concreto inmersos en una solución alcalina,los cuales contengan el material reactivo/La prueba toma la menos un año, aunque haydisponibles pruebas aceleradas. Las agencias de transporte estatal y municipal mantienenlos resultados del origen de los agregados que se conoce que han causado deterioro, yeste es un valioso medio de determinar la reactividad.



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(a)

(b)

Fig. 1.6 Reacciones álcali agregado. (a) Concreto agrietado de la viga principal en un paso a desnivel (agregado de caliza); (b) gelsilicio disecado en una fisura (agregado de toba riolítica).



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TRITURACIÓN, GRANULOMETRÍA Y FORMA DE LAS PARTÍCULAS

La triturabilidad de una roca para agregado puede estar relacionada a sus propiedades enuso. La roca para procesamiento a material para agregado deberá romperse fácilmente enfragmentos equidimensionales sin un exceso de finos (Tamaño de polvo y arcilla). Los

materiales frágiles, densos, isotrópicos, y cristalinos son mejores que los porosos,quebradizos o rocas laminadas, desde este punto de vista.

El tamaño de los granos es una característica importante de rocas trituradas y de gravasnaturales para agregados en muchas aplicaciones; el producto usualmente necesita serbien graduado. Los agregados bien graduados dan una compactación más densa a laspartículas, conduciendo a trabazones más grandes, resistencia y resistencia a la cargacíclica. El asfalto bismutoso resistente, rígido, transitable son funciones de la densidadalcanzada durante la compactación en frío o cliente (Huschek y Angst, 1980), por lo tantola granulometría es un parámetro crítico para una alta calidad de la superficie derodamiento. Agregados de tamaño único o graduado - estrecho mal graduados tienenaplicaciones limitadas, tales como para drenaje libre de las capas del pavimento yaislamiento.

En los agregados, el limite esta colocado como porcentaje aceptable de finos, se definecomo las partículas de tamaño de polvo o arcilla que pasen un tamiz de 75 // m. Los finosson dañinos en el concreto porque ellos requieren de agua extra en la mezcla paraalcanzar la trabajabilidad suficiente, de tal modo que reduce la resistencia del concreto. Elexceso de finos también puede ser el resultado de un método de trituración y equipoinadecuados. Puede ser necesario el lavado y cribado de parte de los agregados en elproceso de manufactura para reducir los finos y contaminantes a niveles aceptables.

Una superficie plana, forma de la partícula equidimensional es la ideal para los agregados.Partículas laminadas o alargadas imprimen una trabajabilidad pobre a la mezcla deconcreto y debilitan y dificultan la compactación en otras aplicaciones Las rocasmetamórficas tales como el esquisto y lecho delgados de limolita sedimentaria son la másprobables que den lugar a agregados laminares cuando se trituran. La superficie plana deuna partícula laminar a menudo es lisa y da una liga pobre con la pasta de cemento.

Debido a los requerimientos de angulosidad y rugosidad el balasto para ferrocarril es unproducto triturado. Este es de roca de tamaño uniforma pobremente graduada con unmínimo de fínos. Debido a que se sitúa sin aglutinante, este no debe ostentar vibraciónpara compactación con tiempo y tráfico. Solo se debe evaluar para las rocas empleadascomo balasto la resistencia, durabilidad y funcionamiento en el campo.

SUPERFICIE RUGOSA Y CARACTERÍSTICAS FRICCIÓNALES

En concretos se requiere una superficie rugosa para una trabazón satisfactoria entre losagregados y el cemento o asfalto excepto que las partículas carbonatadas de roca noligan bien con la pasta de cemento aun cuando estas sean muy lisas. En aplicaciones asuperficies de rodamiento, los agregados componen cerca del 95% de la superficie dedesgaste del pavimento, así que sus propiedades controlan la resistencia friccional contrael deslizamiento. Una mezcla estable con alto contenido de roca requiere de dar una



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macrotextura de partículas resaltantes que rompan con la película de agua y provean deun drenaje para reducir la perdida de fricción (las llantas pierden tracción debido a losmovimientos diferenciales de la película de agua).

La roca triturada de banco consta de partículas rugosas y angulares, mientras que las

gravas naturales son redondeadas y tienen que ser procesadas a través de una trituraciónque les de superficies angulosas y rugosas" La mineralogía de la roca también afecta a latrabazón, pero probablemente en menor grado que la rugosidad. La porosidad datrabazón; las calizas porosas pero fuertes dan características de trabazón excelentes.

La resistencia al pulido es proporcionada por la roca con minerales de contrastante durezao aquellas con granos rasgados en lugar de desgastados por el tráfico. Aquellos que sonmás propensos a pulido son los cuarzos monominerales y las calizas, las cuales sedesgastan uniformemente en toda su superficie. En contraste, con las rocas tipo granito,las cuales contienen cuarzo y feldespato de diferentes grados de dureza, tendiendo apermanecer rugosos por el desgaste ocasionado por las llantas de los vehículos. Aunquela alta porosidad de las rocas se desgasta con mayor rapidez, estas tienden a desarrollaruna textura resistente al deslizamiento (Fourmaintreaux, 1970).

Pruebas especiales de laboratorio miden la susceptibilidad de la superficie a la abrasión yal pulido (Rogers, 1983). En la prueba de valoración de la abrasión del agregado (BS812,1975), 24 o más partículas cúbicas de agregado, con tamaño de 9.5 a 13.2 mm, soncontenidos en un aglutinante epóxico. Un peso de 2 Kg. presiona el espécimen delagregado contra un recubrimiento de acero de 600 mm de diámetro, rotado por 500revoluciones a 300 r.p.m. Arena estándar se alimenta en 800 g/min. en de cadaespécimen. El valor de la abrasión del agregado, se expresa como la perdida de masa,típicamente del orden de 2 a 5% para rocas cuarziticas densas; de 5 al 5% para lamayoría de rocas sedimentarias porosas, calizas más densas y dolomitas; y arriba del30% para escoria de hornos y las rocas sedimentarias más porosas, pobrementecementadas.

La cantidad del procedimiento de pulido se mide por medio de un probador especial pararesistencia friccional. La prueba del valor de pulido de la roca (BS812, 1984) usa unpéndulo de deslizamiento para medir las propiedades fricciónales de los agregadosdespués de 3 hr de abrasión con un pulverizador de molienda gruesa y con uno demolienda fina. Los métodos "in situ" para la medición de las propiedades fricciónales delas superficies pavimentadas incluyen la medición de la distancia que se desliza unautomóvil al frenar (ASTM E445-76), el margen de la fuerza de fricción (ASTM E670-79), yla fuerza de frenado de un remolque. (ASTM E274-79). Los métodos indirectos deestimación involucran la medida de la textura de la superficie, por ejemplo, usandoestéreo fotografía (ASTM E770-80).

REQUERIMIENTOS DE EXPLOTACIÓN Y PROCESAMIENTO

Las voladuras en los bancos intentan producir grandes de roca bien fragmentada a uncosto mínimo, y con el menor disturbio del medio ambiente (Rock Engineering). La rupturadebe ser suficiente para alimentar de roca al triturador primario, con un pequeñoporcentaje de finos, y con pocos fragmentos redondeados y de tamaño excesivo que



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requieran ruptura secundaria. La tendencia es aun mayor y más grande en los barrenos, ydel AN/FO y de los explosivos en gel ya que ahora es más difundido su uso.

Los factores que afectan al diseño del tratamiento del banco incluyen los requerimientosde rendimiento, la capacidad y tipos de trituradores y cribadores, las facilidades para la

acumulación del mineral, y la capacidad de almacenamiento. La roca del banco esdinamitada (volada), después se pasa a través de un "grizzly" (parrilla de cribado) paraseparar los bloques de tamaño excesivo antes de alimentar al triturador primario (Fig. 1.7).Los bloques de tamaño excesivo pueden romperse mediante voladura secundaria o conun impactador hidráulico movible el cual útil también en limpiar las quijadas del trituradorcuando se bloquean.

Los tipos de trituradores incluyen rompedores por impacto, molino de martillos,trituradores de quijadas o giratorios. Un triturador de quijadas, giratorio o de cono reduceel tamaño de rocas que pueden ser tituradas por medio de impacto manual. El equipo esseleccionado para dar la forma y granulometría óptima a las partículas.

Después del triturado, la roca es cribada y apilada. Los cribadores deben serseleccionados para operar al máximo anticipando el rendimiento de los trituradores paraevitar una sobre carga. Las partículas frágiles y débiles, al igual que los finos se remuevenen el proceso de cribado/Durante la trituración y cribado la calidad del producto puedemejorarse mediante el mezclado con arenas y gravas, las cuales son de partículas degrosor y rugosidad deficiente.



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(a)

(b)

Fig. 1.7 Explotación de agregado. (a) Voladura de banqueo; (b) Cono de trituración primaria en el banco de agregados de Dufferin,Milton, Ontario.



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MINERALES INDUSTRIALES

Las características químicas y mineralógicas de cierto tipo de rocas las hace recursosvaliosos para la manufactura de varios productos. Fluorita, grafito, cal agrícola, bórax,talco, y arena sílica para la fabricación de vidrio que son de los productos menos

conocidos. Los más familiares son los ladrillos, la cerámica y el cemento.LADRILLO Y CERÁMICAS

Los ladrillos y cerámicas tales como tubería de arcilla y techos de teja se fabrican suelosarcillosos y lutitas. Estos contienen principalmente minerales arcillosos, aunque esdeseable en algunas arenas cuarzosas y cenizas limitar la contracción y proporcionartrabajabilidad y facilidad de moldeo. Típicamente, para ladrillos y cerámicas, se empleanlutitas suaves; su índice de desmoronamiento durabilidad debe ser lo suficientemente bajo(típicamente menos del 80%) para que puedan ser fácilmente convertidos en una mezclatrabajable de arcilla. Las lutitas empleadas para la hechura de ladrillos tienen unacomposición mineralógica que minimiza la contracción y distorsión mientras se le da ladensidad y la cocción de un producto durable. Las lutitas smectíticas son las perores paraladrillos y cerámicas mientras que las arcillas y lutitas caoliníticas son las mejores para lacocción y se usan para la porcelana.

El Color es importante también; rojo, verde y las coloraciones pulidas son conocidos porimpurezas tales como el acero y el carbonato de calcio. La consistencia del color en unproducto se le llama a un consistente contenido de impureza por todo el depósito omezcla. Debido a que el color puede cambiar substancialmente durante la cocción, por loque se realizan pruebas sobre muestras tomados de lugares representativos de todo eldepósito de lutita y se cosen en un rango de temperaturas. Se miden las característicasde contracción, resistencia y absorción, y se registra el color de los terrones cocidosmediante la comparación con cartas de colores estándar.

La durabilidad y la resistencia a la congelación dependen principalmente del proceso decocción, pero también se extiende a las características de la lutita en estado natural.

La durabilidad puede medirse usando pruebas similares a las empleadas para rocas deconstrucción y agregados, y mucha pruebas altamente especializadas para aplicación a lacerámica.

CEMENTOS

Los cementos antiguos producidos por los Romanos fueron fabricados de una mezcla decal, agua y ceniza volcánica, puzolana, de Nápoles. El cemento Portland esta hecho deuna mezcla cocida en horno de cal (carbonato de calcio, CaCO3) y arcilla o lutita con algode arena sílica. El cemento resultante es el clinker el cual es triturado y molido hasta quesea un polvo fino listo para mezclarse con agua. El proceso fue inventado en 1824 porJoseph Aspdin, y fue perfeccionado en 1845 por Isaac Jonhson, quien introdujo la coccióna altas temperaturas. El nombre se deriva de la caliza de Portland del sur de Inglaterra, seusa extensivamente como roca de construcción y también se muele para hacer elcemento actual.



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En los últimos días, la fabricación del cemento Portland, una arcilla ideal es la caliza(arcillosa) encontrada el los bancos de Portland; actualmente, se acostumbra sucombinación para alcanzar la mezcla apropiada. Los trabajos con cemento a menudo selocalizan a lo largo de los limites entres formaciones geológicas de caliza y arcilla, y estas

materias primas se explotan de las minas adyacentes/ Las calizas con un contenidosubstancial de arcilla y con una resistencia moderada para fácil trituración son las másapropiadas, aunque un exceso de arcilla contribuye a una álcalis indeseable. Los yesos ylas calizas porosas son ideales como recursos de CaCO3. Los compuestos de clorurodeben evitarse, porque pueden ocasionar bloqueo al horno y dar una calidad pobre alclinker.

El cemento con alto contenido de oxido de aluminio (Ciment Fondue), conocido por surápida ganancia de resistencia, se hace mediante la sintetización de la mezcla de caliza,coque y bauxita (oxido de aluminio hidratado, el cual es producto de una arcillaintemperizada con un alto contenido de oxido de aluminio).

CAL INDUSTRIAL Y AGRÍCOLA

La cal es una caliza calcinada o cocida conocida comúnmente como cal viva u oxido decalcio. Cuando se adiciona agua, se convierte en hidróxido de calcio o cal apagada. Eltérmino es empleado comúnmente para denotar casi de alguna manera la caliza odolomita triturada (Lefond, 1983). Cerca del 90% de la cal se usa hoy en día en industriasquímicas y metalúrgicas, por ejemplo, como fundente o ácido neutralizador.La mayor parte de cal agrícola se fabrica mediante trituración de caliza y dolomita, aunquetambién se usa la cal viva y la hidratada. La calidad de estos materiales para usarse comofertilizantes depende de la relación Ca,Mg, la cual se mide mediante pruebas químicas.

TALCO

El talco (Mg3Si4O10(OH)2) es un mineral usado ampliamente en aplicaciones industrialesal parecer por su suavidad y a sus minerales laminados. En forma de polvo muestra unasuperficie resbaladiza, seca y de fricción baja. El talco es inerte, y se puede combinar conmateriales tales como aceites y otros polvos. Además para usarse como un sellador dealta calidad en papel y pinturas, el talco se usa para diluir nitratos de amonio, capas defertilizantes y otros productos para evitar adherencia, como un aditivo para plásticos,como un agente para fungicidas e insecticidas y en productos cosméticos donde este semezcla con aceites, colores y perfumes.

Las mayores fuentes de abastecimiento de talco son los ultra básicos y esquistosascalizas dolomíticas metamórficas que han experimentado una fuerte actividad hidrotermal.En los extensos bancos de talco Europeos (Fig. 1.8), la producción de más de 300,000t/año se alcanzan mediante técnicas de banqueo mediante voladuras (Py y Grange,1979). Se producen tres grados de talco: blanco, intermedio y gris, dependiendo delcontenido de clorita. Los problemas de estabilidad de taludes son comunes en los bancosde talco porque la estructura geológica es usualmente muy inclinada y debido a que elángulo de fricción que contienen las rocas de talco es bajo.



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ROCA DE CONSTRUCCIÓN

USO ANTIGUO DE LA ROCA

La roca y la madera son materiales tradicionales de construcción (Fig. 1.9). La pirámide

de Keops en Egipto fue construida hace 4700 años, de 2.3 millones de bloques (cerca deun millón de metros cúbicos) de caliza sobre una cimentación de 224 m2, con una alturaterminada de 147 m. Los bloques expuestos pesan 2.5 toneladas en promedio peroalgunos de ellos pesan más de 15 toneladas. Los bloques exteriores juntados limpiamenteque, en las palabras del arqueólogo Petrie, "ni una aguja y ni un cabello" puede insertarseen las juntas.

Las pirámides fueron construidas de capas que se fueron inclinando adentro 74°, peroellos fueron banqueando para dar un promedio de inclinación exterior de 52° (Kerisel,1987). El exterior de la cubierta fue hecha de bloques de alta calidad labrados, pero detrásde este exterior, los constructores usaron roca de mucho menos calidad que fueronásperamente explotadas y a menudo mal colocadas. Hoy las pirámides se levantan comomonumentos a la durabilidad de la roca, estas muestran también muestran señales deltiempo. Kerisel apunta a los problemas de la cimentación, a las fracturas inducidas por losesfuerzos, a desprendimientos diferenciales y al uso roca frágil de calidad pobre.

Una excepcional habilidad para juntear bloques de mampostería fue desarrollada por losincas, y exhibida por sus grandes templos y ciudades en los Andes. Una roca rugosa -labrada se situó en su curso y los movió lentamente, haciendo las altas construcciones. Laroca fue removida, las puntas altas fueron talladas manualmente, y repetidamente serecolocó la roca hasta que se ensamblo extremadamente cerca.

Ciudades enteras han adquirido la forma característica de la roca que ellos han hecho.Petra, Jordan, la "rose red city, half as old as time", y Aberdeen, Scotland, la "city ofgranite". La caliza porosa de colores claros se usa en los edificios de París proveniente debancos subterráneos y superficiales; los antiguos trabajos subterráneos de dudosalocalización y estabilidad permanecen como un peligro presente hoy en día.

Ciertas formaciones rocosas con excepcional calidad de color, estratificación masiva, yfácil de cortar han ganado una reputación internacional. Las roca de Portland, unascalizas ooliticas color crema fueron primeramente usadas por los Romanos, han sidousadas en la construcción de edificios, muros de muelles, y monumentos en Londres porsiglos. El mármol de Carrara proveniente de Italia también ha sido un favorito del ImperioRomano desde los días antiguos (Fig. 1.10). Para estas fechas en muchos países esta esuna roca ornamental de un valor alto (Piga y Pinzari, 1984).

Aunque los edificios de hoy en día raramente se construyen totalmente de roca, laindustria de las rocas ornamentales es muy grande, y se expande rápidamente (Fig. 1.11).La producción mundial de roca ornamental se incremento entre 1926 y 1982, cuando laproducción anual alcanzaba 15.3 millones de toneladas métricas. Los principalesproductores incluyen a Italia (35%), Alemania de Este (20%), Francia (11%), y EstadosUnidos y Japón (6% cada uno) (Piga y Pinzari, 1984).



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La demanda Arquitectónica es más grande por el mármol y el granito losas revestidas(revestimiento de acero inoxidable) que puede cortarse y pulirse. Areniscas, limolitas,calizas y granitos se emplean para pavimentación ornamental de piedra delgada plana, ypizarras para pavimentación y techumbres.

Muchos países aun usan bloques de cantera para muros en edificios en muchas tiendas,reforzadas con miembros de madera o acero tensando. Cantidades menores de rocas degran dimensión se emplean para monumentos. Productos especializados incluyen microgranitos que son redondeados y pulidos para hacer rocas rebordeadas, y areniscascuazíticas las cuales aun se emplean para esmeriles.

REQUERIMIENTOS DE CALIDAD Y PRUEBAS

TAMAÑO DE BLOQUE, FORMA Y JUNTEADO

La característica más importante de las rocas apropiadas para la explotación como rocade construcción es la presencia de planos bien definidos y juntas persistentes que definenlas caras de los bloques a explotar (Gofrey, 1979). Usualmente entre uno y tres grandesconjuntos de juntas se presentan los ángulos correctos, en los que la roca se dividenaturalmente en cubos o prismas rectangulares. El junteado deberá ser relativamenteplano y ampliamente espaciador Los conjuntos que están ondulados o que tienen ángulosextraños que forman bloques irregulares y que conforman una fuente inapropiada de rocaornamental excepto sí se usan para trituración. La Fig. 1.9b muestra un monumento enLeningard labrado a maquina de un gran bloque único de granito. En áreas menosfavorecidas donde la roca es irregular y redondeada, esta aun ha encontrado uso en laconstrucción de cimentaciones, muros de roca seca, para pavimentación (Fig. 1.12 y 1.13)

Donde hay dos conjuntos de juntas ampliamente espaciadas y una tercera conespaciamiento más cercano, las divisiones naturales de los estratos son apropiadas parapavimentación y revestimiento. Areniscas, calizas y pizarras con estratificación delgadacon finos planos de crucero son los tipos más comunes de lajas. Las losas puedencortarse de grandes bloques de un depósito de roca con amplio espaciamiento de juntas.Los materiales con juntas muy cerradas y aquellos que contengan microfisuras, concontenido importante de minerales de arcilla, o lutitas con estratificación irregular soninapropiados en la mayoría de aplicaciones.

La orientación de las juntas y espaciamientos puede medirse en el campo usando variosmétodos descritos en Rock Engineering. Estos incluyen el uso directo de una cinta métricay el compás geológico, y métodos alternativos usando cintas de video digitalizadas ofotografías.

Las juntas abiertas persistentes, algunas veces están acompañadas de planos de fallaque afectan las operaciones de explotación y la durabilidad de la roca. Estas son muchomás difíciles de detectar. Las técnicas empleadas para identificar las debilidades en laestructura de la roca incluyen penetración con colorantes, medidores de velocidadultrasónica, examinación microscópica de una lámina delgada y la prueba de la cargapuntual, cargando al núcleo en varias direcciones.



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(a)

(b)

Fig. 1.8 Explotación minera de Talco en Trimouns, en el Pyrenee en la parte sur de Francia. (a) La mina a cielo abierto; (b) El talco.



290

(a)

(b)

Fig. 1.9 Rocas Monumentales. (a) Taj Mahal, Agra, India, de Mármol con incrustaciones de piedras semipreciosas, (b) Monumento enLeningrad, URRS, construido de un solo bloque de granito.



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(a)

(b)

Fig. 1.10 Explotación de roca de gran dimensión, Italia, (a) Cuarto subterráneo y mina columnar en Mármol de Carrara, excavado pormedio de un cable cortador de diamante; (b) Explotación en "Peperino di Viterbo", una roca piroclástica con una resistencia de

aproximadamente 30MPa, excavada en la parte superior por una cable cortador, y en la parte baja por medio de división.



292

(a)

Fig. 1.11 Explotación en caliza dolomítica. (a) Línea de perforación de bloques para construcción de (b) la embajada Canadiense enWashington, D.C.



293

Fig. 1.11 Continuación



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Fig. 1.12 Muro de retención de roca (seca), bloques rectangulares de caliza y bloques poligonales de basalto columnar

Fig. 1.13 Piso de Solera de banco, Noruega.



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FACILIDAD PARA EL LABRADO A MAQUINA

La facilidad con la cual la roca puede ser cortada y labrada determina en gran medida elcosto de producción. Las rocas suaves son fáciles y menos caras de cortar y labrar, perolas rocas más duras toman y retienen un buen pulido. Su apariencia atractiva, durabilidad

y fácil mantenimiento puede resultar de gran valor en el mercado, el cual pesar más quealguna dificultad y costo de preparación.

El máximo uso se hace de las juntas naturales y de las superficies de clivaje, a lo largo delas cuales los bloques pueden dividirse. Los bloque de roca y losas se separan de la masamediante división o aserradura.

COLOR, APARIENCIA Y HOMOGENEIDAD

La uniformidad del color es esencial cuando se va a explotar grandes cantidades de rocapor gran cantidad de años, y debe confirmarse mediante una perforación de exploración.La roca de colores variados puede usarse en especial para usos ornamentales pero serequiere de cuidado en la selección de la localización del banco y apilado de las diferentesvariedades.

La roca ornamental más famosa es el mármol, el cual geológicamente es caliza o dolomitaque ha sido recristalizada mediante metamorfismo térmico. Esta tiene una texturacristalina y a menudo es uniformemente blanca, aunque las impurezas conducen a unacoloración rosa o verde y bandeado.

También comúnmente llamado mármol en la construcción son a las calizas que contienenfósiles, entonces se pensaba que estas habían sido sometidas a alguno o ningúnmetamorfismo. Cuando se corta y se pule, estas se pulen y creman en color de la texturasde los restos fósiles o del arrecife. Un ejemplo es la roca de Tyndall, un banco de calizadevónica al norte de Winnipeg, Manitoba, y usada en edificios de Vancouver a Quebec enCanadá. Esta contiene grandes fósiles porosos y conchas espirales que dan a las losasun interés paleontológico al igual que belleza arquitectónica. El Travertino es otra de lasfamosas rocas para revestimiento, es una caliza de textura abierta formada por laevaporación del soporte de cal por el agua.

El granito es una roca atractiva de construcción debido a su apariencia y durabilidad. Lavariedad de granos gruesos son las más atractivas y de los colores el rosa tal ves o grisdependiendo del tipo de feldespato predominante. Las rocas ígneas porfíriticas, sonaquellas que contienen gran cantidad de cristales una matriz cristalina de grano fino, amenudo son más atractivas que aquellas de granos finos o medio uniformes. Las rocascon gran cantidad de cristales de feldespatos rosas claros entre unos más oscuros, gneiscon matriz de grano fino es común y apreciada como material de revestimiento. Las rocasfeldespáticas de colores oscuros (antracita) contienen el material labradorita que esconocido como iridiscente exhibido por medio de grandes cristales con el ángulo deincidencia de los cambios de luces. En rocas con texturas atractivas, tales como los gneisy mármol, las imágenes de espejo se hacen mediante el pulido de dos caras adyacentesde losas hechas con una simple segueta de corte. Cuando se monta de lado a lado de unmuro o piso, se crean formas simétricas.



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DURABILIDAD Y RESISTENCIA

Una característica esencial de las rocas para construcción es su durabilidad .Excepto porlas rocas de recubrimiento las cuales son más delgadas y pueden tener una resistencia detensión, la resistencia no es un criterio primario, y muchas rocas usadas para la

construcción son sensiblemente débiles. La fragmentada porosidad de la caliza en la islade Bermuda es frágil y la suavidad con la que se corta mediante una segueta de cadenaen bloques y aun en losas delgadas para usar como cubiertas de techo. La roca Portland yBath en el sudeste de Inglaterra también son calizas de alta porosidad y baja resistencia.Su debilidad, la ausencia de dureza y los minerales abrasivos hacen que sean fáciles decortar y pulir. A pesar de la debilidad, estas rocas son durables y han durado en edificiospor mucho siglos, pero ahora son amenazadas por la lluvia acida y la contaminaciónurbana (Winkler, 1978).

Las catedrales góticas del valle de Rhine, tale como el Monasterio en Freiburg y lascatedrales de Strasbourg y Thann en Aisace, están hechas de la gres rouges des Vosges,una arenisca roja que es fácil de cortar y labrar. En las zonas costeras, donde la roca seusa extensamente para la construcción de muros marinos, las expansiones causadas porla cristalización de las sales, fracturan igualmente a la roca y tienen un modo similar deacción.

Las rocas muy porosas son usualmente resistentes a la congelación o a la sal debido asus grandes poros los cuales permiten el drenaje e imposibilitan los grandes esfuerzoscuando el agua entra y se congela. Las roca de baja porosidad, 1% o menos, sonsimilarmente durables porque no llegan a saturarse, y porque el punto de congelación dela humedad en los poros es abatida como resultado del tamaño pequeño de los poros y dela tensión capilar. También las rocas densas son más fuertes y resistentes que cualquierotra fuerza expansiva que desarrolle. Las rocas más susceptibles daños debidos a lacongelación y a la cristalización de la sal son aquella de porosidad y tamaño de porosintermedios.

Un aspecto increíblemente importante de la durabilidad de una roca es la resistencia alataque por lluvia ácida y los contaminantes arrastrados por el aire. Este problema es másagudo en el caso de las calizas, las cuales reaccionan a los débiles ácidos carbónicos ysulfúricos de la lluvia ácida. La resistencia puede probarse realmente mediante la reacciónde la roca con el ácido en el laboratorio.

Las nuevas fuentes potenciales son evaluadas por medio del estudio de sumicroestructura y comparándola con la de las rocas usadas, y por pruebas deintemperización acelerada. Cubos o núcleos particularmente son inmersos en unasolución salina expuestos a secado, congelación y descongelación.

Los mecanismos de intemperismo acelerado son similares a aquellos que se desarrollanen pruebas de sanidad de sulfato de magnesio para agregados, y este método ofrece unaalternativa y un método más estandarizado para la medición de la durabilidad.

A gran escala no presentan las características consideradas para las pruebas delaboratorio para los especimenes. La intemperización de partes y el desarrollo de la



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decoloración del acero por oxidación son importantes para la evaluación de rocasdecorativas. El intemperismo puede causar divisiones de grandes bloques,particularmente cuando son lutitas o contienen minerales expansivos. La durabilidad delas rocas para construcción llega a ser conocida sobre grandes periodos de uso. Otraforma de estimar este asunto característico es observando la forma que las rocas has

intemperizado los viejos afloramientos y los muros del banco.La resistencia de uso es un requerimiento de rocas para pavimentación, las cuales sonproducidas usualmente de la abrasión - resistencia de las rocas ígneas o areniscascuarzosas. Varias métodos de prueba especializadas están disponibles para medir laresistencia de uso. El contenido de Cuarzo, sin embargo, puede tomarse a menudo comoun indicador confiable de la resistencia de uso y su medición requiere de una seccióndelgada y un microscopio polarizado (Rock Engineering).

Las aplicaciones especiales para tipos no usuales de roca; rocas redondeadas, porejemplo, tienen que ser particularmente fuertes para resistir los impactos. La mayoríaestán hechas de microgranito explotado de Ailsa Craig en el Firth of Clyde, Scotland. Estaroca tiene una textura de tablillas de feldespato enlazadas para obtener una fuerzainusual. Para determinar si el granito es lo suficientemente fuerte, se coloca un pesodespués se incrementa el peso hasta que el espécimen cilindrico se fracture. Aun la bienconocida roca Ailsa Craig, las microfisuras han conducido a problemas de manufactura.Métodos ultrasónicos y de radar, penetraciones coloreadas, luz ultravioleta, yprocedimientos de partícula magnética pueden usarse para detectar microfisuras para quelas imperfecciones en la roca puedan rechazarse antes de que comience la maquina deexpansión.

MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN

EXTRACCIÓN

Los bloques de roca para construcción deben separarse de la masa sin fracturamiento.Los cortes primarios separan paneles de 1000 a 3000 m3, los cuales se dividen por cortesecundario en bloques de 100 a 300 m3 los cuales después son volcados y cortados enbloques comerciales. La explotación por banqueo puede ser de 10 a 15 m de altura.

La voladura se emplea espaciada la dimensión de la roca a explotar y de la fortaleza delas rocas sílicas. Tradicionalmente la pólvora negra, no dinamita, se empleaba para ladivisión de la roca mediante la expansión del gas que por la propagación de la onda dechoque. El método de la pólvora negra esta dando el camino para una voladura suave conalto contenido de explosivos (diámetro pequeño desacoplados en bombillo y el cordóndetonante) y con un barreno de 150 - 300 mm de espaciamiento (Piga y Pinzari, 1984).

En muchos bancos, particularmente aquellos de rocas suaves, los bloques se remuevenpor medio de acuñado o aserradura (Rock Engineering). Un Mampostero con granexperiencia en trabajo de una fuente en particular de roca, desarrolla gran habilidad parareconocer el "grano" de la roca, y hace uso de su anisotropía y de casi los planosinvisibles de debilidad. En la división por tapón y cuña, se perforan hoyos superficiales enuna línea y las "cuñas" de acero se insertan entre ellos, en los cuales se coloca un



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"tapón". La acción de la cuña genera una fractura que separa el bloque de la masarocosa. La operación en grandes explotaciones a menudo se mecaniza usando divisoreshidráulicos.

En el sistema sueco, se perfora una línea hoyos, así se evita el riesgo de una ruptura

dispareja. Se inserta una barra en un hoyo adyacente para asegurar la perforaciónparalela. Ambos hoyos pueden tocarse y pueden ser no muy espaciados y el enlace de laroca se rompe usando una herramienta de ensanchado (Shadmon, 1989).

El Cable aserrador puede emplearse para separar grandes masas de roca y se producemayor cantidad de mármol mediante este método que por algún otro (Fig. 1.10). En unaoperación típica, galerías paralelas y buenas perforaciones se hacen en la base de uncorte y se instalan ruedas de polea. Un cable tejido (helicoidal) se laza alrededor de laspoleas y contra la base de la roca, la cara se alimenta con una arena sílica abrasiva y conagua que da una continua acción de socavado (Piga y Pinzari, 1984).

Este tipo de cable aserrador esta suprimiéndose por listones de diamante montados sobreun cable, lo cual reduce los desperdicios y da más rectos y suaves cortes (Pinzari, 1983;Berry et al., 1988). El cable de diamante aserrador fue introducido para la explotación delmármol de Carrara en 1978. Se atan de 30 a 40 listones por metro de cable por resortes oespaciadores plásticos. El cable se tensiona y se conduce hasta una velocidad de 20 a 40m/s. El método puede socavar un bloque a razón de 5 a 10 m2/h. Un chorro de aguaenfría y remueve el polvo de los listones (Fig. 1.14).



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(a)

(b)

(c)

Fig. 1.14 Técnicas de corte con cable de diamante. (a) Corte tradicional en la cara de la roca. (b) Corte en el piso; (c) Cara de corte.



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LABRADO DE LA ROCA

Nuevas divisiones, aserramientos, cincelado, esmerilado y pulido son requeridas paramúltiples aplicaciones arquitectónicas. El labrado de la roca se hace comúnmente enalgunas plantas de acabado de roca, las cuales son modernas, con facilidades

automáticas y localizaciones centrales.Dependiendo de los requerimientos, la puede división fuerte, aserrado, molido y pulido decaras. Los Bloques de cantera son labradas en cinco caras y fuerte en seis. Los tipos determinado incluyen la roca o la inclinación encarada (ruptura natural de la cara sinherramientas), puntos finos (remoción de protecciones dejan cincelado y marcas de pico),margen bosquejado (orillas cinceladas alrededor de una cara del bloque), aserrado (conuna segueta acanalada), martillo en forma de segueta (una herramienta manual para lasuperficie picada), arena explotada (presentando las texturas naturales de una rocasedimentaria), rectificado (suave sin brillo), o pulida ( la cual revela minerales y fósiles).Nueva información sobre el labrado se presento en Shadmon (1989).

Para las rocas sedimentarias, el marco y la cuadrilla aserradora alimentan con unasuspensión abrasiva, se usa en un método tradicional, para la división de un bloque enlosas. Un método alternativo de seguetas rotatorias a menudo se equipan con carburo detungsteno, carburo silicón o filosos cortadores con diamante impregnado. Hojas, discos,cables impregnados de diamante se emplean principalmente para los tipos de roca másduros. Múltiples cables aserradores pueden usarse para cortar muchas losassimultáneamente para un espesor correcto de esmerilado y pulido.

Las mejor calidad que se ha desarrollado bien es en pizarras, con planos uniformes declivaje, y pueden ser divididos en placas de solo pocos milímetros de espesor. Estastechumbres pizarrosas son de grano finos típicamente, y han sido formadas por un bajogrado de metamorfismo de pizarra con un alto contenido de arcilla y bajo de cuarzo. Lasvariedades de lijado de una pizarra no pueden ser clivados e esa manera aun cuandoestas se puedan dividir en losas más delgadas, usualmente con una irregular y onduladasuperficie que puede ser atractiva para aplicaciones arquitectónicas.

Esmerilado y pulido exposición de los granos y microtextura. La suavidad o finura de lasuperficie de la roca se alcanza con tres o seis granos más fino sucesivamente de carburode silicio abrasivo en polvo aplicado en agua a la superficie a lo largo del equipo deesmerilado" En un tipo de brazo pulidor radial, un disco pulidor rotatorio sobre una cabezauniversal puede ser oscilado por el operador sobre algunas superficies de roca. El aguaes alimentada a través de un vastago. Las versiones automáticas han intercambiadorevestimientos para la cabeza pulidora, y una banda automáticamente a través de lasuperficie.

Las rocas revestidas se equipan con perforador de gancho époxicos para levantar ysostener las losas de los muros. Silicón flexible previene el desarrollo de esfuerzosexcesivos causados por calentamiento y congelamiento y la exclusión de la humedaddetrás de las losas preserva la apariencia de las rocas, y reduce los cambios de división.



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CAPÍTULO 12

ESTUDIOS GEOLÓGICOS PREVIOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELESCARRETEROS

El presente trabajo pretende hacer resaltar la importancia de los estudios geológicos quese deben realizar en el proyecto de un túnel carretero; ya que son determinantes para lalocalización, diseño y construcción de la obra.

En primer lugar, se menciona brevemente las etapas que se deben seguir en un estudiogeológico y los alcances de cada una. Se comentan los métodos exploratorioscomúnmente utilizados, y la forma en que debe presentarse la información de los estudiospara su análisis.

Posteriormente, se analizan con mayor detalle las características geológicas de mayorimportancia para la construcción y diseño de los túneles; como son la litología y la

estratigrafía, las discontinuidades, el estado de alteración, las condicioneshidrogeológicas, los fenómenos de geodinámico externa y los esfuerzos internos.

Las discontinuidades se tratan con más énfasis, por ser de suma importancia en laestabilidad y seguridad de la obra. Se analizaran la estratificación, las fracturas ydiaclasas, las fallas; así mismo se mencionan todas las características que debendescribirse de las discontinuidades y la importancia de cada una.

Por ultimo, se mencionan los grados de confiabilidad con la que pueden proyectarse losrangos geológicos superficiales a profundidad.

Ejemplo de construcción de un túnel



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INTRODUCCIÓN

Un estudio geológico, debe prestar una atención especial a todos los rasgos geológicosque puedan influir en la localización, diseño y construcción del túnel. Estos aspectos serántratados con detalle en el siguiente tema.

Por lo general, un estudio geológico previo a la construcción y diseño de un túnel seefectúa en tres etapas:

1) Estudios preliminares

En esta etapa se realiza la recopilación y análisis de la información existente, y unreconocimiento preliminar del área de interés. En esta fase se pretende conocer elambiente geológico-geotécnico general para plantear y fundamentar las investigacionessubsecuentes.

2) Estudios a detalle

La segunda etapa es la mas completa, puesto que esta enfocada a determinar lafactibilidad en un trazo en particular. En esta fase se consideran las diversas alternativasdel trazo del túnel, basándose en la comparación de las condiciones geológicas ygeotécnicas obtenidas con las exploraciones dentro de la ubicación general de la ruta.Para desarrollar los estudios de esta etapa es necesario auxiliarse de diversos métodosde exploración, los cuales se muestran en el cuadro de la figura 1.

3) Estudios especiales

Comprende investigaciones adicionales, especiales o más detalladas, una vez que se haelegido el trazo definitivo del túnel, cuyos datos habrán de ayudar al diseño final, a laestimación de costos del túnel y a la previsión de futuros problemas geológicos.

Durante la construcción y operación del túnel se deben continuar los estudios geológicos,con la finalidad de verificar los estudios anteriores, de prever problemas futuros y deauxiliar a u mejor diseño del revestimiento.

La información obtenida por la exploración geológica se presenta para un análisis enforma individual e integral, para lo cual deben explorarse:

Mapas geotécnicosPerfiles geotécnicos individuales.Sondeo SocavónPozo a cielo abierto GeofísicoPerfiles geotécnicos integrados o sección geotécnica.Perfil de problemas geotécnicos específicos.



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Son importantes ya que forman los principales planos potenciales de deslizamiento, tantode bloques aislados, como de macizos rocosos.

A continuación, se analizaran con detalle la estratificación, fracturas y fallas, por ser las demayor importancia.

Estratificación

La posición relativa del futuro túnel con respecto a los planos de la estratificación,principalmente en terrenos sedimentarios, es importante desde varios puntos de vista.

La presión total sobre el revestimiento de un túnel y la forma como se distribuye a lo largode el, dependen en primer lugar, de la estratificación de la roca. Los cuadros de la figura 2muestran la influencia de esta discontinuidad.

Existen dos posiciones extremas de la dirección de túneles en relación a la orientación dela estratificación; y, entre ellas, hay numerosas posiciones intermedias.

1) túneles en dirección: su eje longitudinal coincide con la dirección de los estratos (fíg.3a) lo cual es aconsejable si la formación atravesada presenta buenas características

2) túneles atravesando estratos: el túnel es llevado perpendicular u oblicuo a la direcciónde las capas (Fig. 3b), lo cual origina el irse encontrando varios tipos de rocas condiferentes propiedades e inclinaciones, esto puede ocasionar problemas de estabilidad opermeabilidad.

La inclinación de los estratos con respecto al túnel es también de importancia, por losiguiente:

-Si los estratos son verticales, y se construye un túnel perpendicular al rumbo, cadaestrato puede actuar como una viga dando mayor estabilidad (fíg.4a); con la desventajade que puede filtrarse mucha agua de la superficie o por su posición la efectividad de losexplosivos es menor.

-En el caso de que el túnel sea paralelo al rumbo de los estratos verticales (Fig. 4b), lamasa de roca del túnel se sostiene por la fabricación a lo largo de los planos. En estoscasos él limite superior de caídas de roca, de acuerdo con Terzagui (1940), no se extiendeuna distancia mayor de 0.25 veces el ancho del túnel.

-Si la estratificación es inclinada pueden presentarse problemas de inestabilidad, mas aun si se encuentran rocas alteradas, a falladas, fisuradas o intercalaciones de rocascompetentes e incompetentes con bajo ángulo de fricción (yesos, sal, lutitas carbonosas,etc.), o bien si existen esfuerzos verticales u horizontales naturales del macizo o poresfuerzos teutónicos (tabla 1).

-En este caso hay que seleccionar correctamente el sentido de ataque del túnel paraestabilizar lo mejor posible el frente (Fig. 5).



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-En el caso de rocas horizontales la estabilidad del túnel es función del espesor de lascapas, el fracturamiento y la resistencia a la tracción de la roca y de su variación con elcontenido de agua; ya que en una acumulación fuerte de agua en el techo aumenta lacarga.

La situación estructural de las capas es significativa, ya que si se construye un túnel en unanticlinal existirá mayor estabilidad, puesto que la presión vertical sobre el techo es menorque en un sinclinal. Además, si la formación rocosa es permeable, en los anticlinales elagua escurrirá por los flancos, mientras que en los sinclinales fluirá hacia el túnel (Fig. 6).

Sin embargo, es necesario tomar en cuenta, que en los anticlinales, los estratossuperiores están mas doblados y fisurados que los inferiores, por lo que es aconsejabletratar de situar el túnel a una profundidad que la fisuración no tenga consecuencias o bienen los flancos de la estructura (Fig. 7).

En cuanto a la tendencia al deslizamiento de bloques al interior de la excavación, lostramos desfavorables son las entradas de los anticlinales y los favorables las zonascentrales de los mismos. En sinclinales las condiciones son a la inversa. En los túnelescercanos a las laderas escarpadas una estratificación desfavorable puede poner enpeligro la estabilidad de un túnel entero (Fig. 8).

Fracturas o diaclasas

La presencia de fracturas o diaclasas, cualquiera que sea su origen y roca que afecte,puede causar serios problemas de estabilidad, ya que comúnmente se presentanasociadas un una o varios sistemas con diversas direcciones e inclinaciones, los cualesdefinen bloques inestables.

Un túnel donde el echado de las capas fracturadas sea de 30° o más, dará lugar abloques inestables (Bell, 1980). Si las juntas buzan entre 45° y 90° y son paralelas al ejedel túnel, se formaran bloques con tendencias a deslizar tanto en la clave como en lasparedes de la excavación (Fig. 9)

En el caso de rocas estratificadas horizontales, el fracturamiento es importante, ya que elespesor de la capa es grande y tiene pocas fracturas el estrato actúa como vigaproporcionando estabilidad (Fig. 10) sin embargo, las rocas con estratos delgados yfracturas tienden a dejar una zona inestable en el techo (Fig. 11), de aproximadamente 0.5al ancho di túnel, (Bel, 1980).

Fallas

La presencia de fallas puede ocasionar múltiples problemas durante la construcción:

-Las fallas deben detectarse perfectamente; conocer su posición con respecto al túnel ydonde están los bloques desplazados para planear el sentido de ataque y la forma deestabilizar las paredes.-Es importante determinar si la talla es inactiva o activa, ya que si este es el caso, pocopodrá hacerse para proteger la construcción; ya que el túnel estaría sometido,



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repentinamente, a fuertes esfuerzos cortantes, que inclusive podrían ocasionarcorrimientos.

-Si por necesidades de proyecto hay que atravesar una falla, es conveniente hacerlo, lomas perpendicular que sea posible, para así acortar la zona de problemas. Si es

necesario seguir el trazo del túnel paralelo a la falla, también es recomendable que sealeje lo más posible de ellas.

-Las fallas grandes están asociadas, por lo general, con fallas menores y con fracturas. Lazona de dislocación puede ser de muchos metros. Los problemas tienden a incrementarsecon el ancho de la zona de falla.

-En ocasiones, las zonas de falla están formadas por materiales alterados o faltos decohesión con tendencia a fluir en el túnel y que puede confundirse con arena. Si el rellenoesta formado por materiales expansivos, se producirán presiones sobre losrevestimientos. También puede encontrarse milonita o algún material impermeable quepuede obstaculizar el paso del agua subterránea de uno a otro lado de la falla,produciendo fuertes cargas hidrostáticas sobre el túnel; o bien, puede suceder locontrario, poniendo en contacto a rocas permeables que ocasionen fuertes entradas deagua al túnel.

TABLA II. DENSIDADES DE LAS DISCONTINUIDADES (AFTES, 1978)

CLASESINTERVALOS DE LASDISCONTINUIDADES

DENSIDAD DEDISCONTINUIDAD EN EL

MACIZO ROCOSO

ID 1 > 200 CM MUY BAJA

ID 2 DE 60 A 200 CM BAJA

ID 3 DE 20 A 60 CM MEDIAID 4 DE 6 A 20 CM ALTA

ID5 <6CM MUY ALTA

Descripción de las características de las discontinuidades

Como se vio en los capítulos anteriores, las discontinuidades son de suma importanciapara la estabilidad del túnel, por lo que se analizaron sus características y la forma dedescribirlas de una manera completa.

a) Densidad de las discontinuidades (ID)

Se refiere a la cantidad de frecuencia de discontinuidades que afectan al macizo rocoso.Para su medición se emplea como índice básico, en intervalo entre discontinuidades (ID) yse describen según los rangos de la tabla II.

b) Orientación e inclinación

La orientación del plano de una discontinuidad esta dada por el vector de busamiento(P)del plano y la inclinación por el ángulo(B), mostrado en la figura 12.



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La forma de representación aceptable para manejar un volumen grande de datos, es pormedio de estereogramas que permiten representar la posición y dirección preferencial desistemas de discontinuidades, y mostrarlas en forma objetiva y estadística figura 13.

c) Número de familias (N)

Los planos de estratificación de las rocas sedimentarias, y la esquistocidad y foliación delas rocas metamórficas, es común que se formen en una familia de discontinuidades, yasea paralelas o subparalelas. Las diaclasas, fracturas y fallas, muy a menudo seorganizan en varias familias, cuyos elementos son subparalelos, y tienen en común,además de la dirección, muchas otras características descritas mas adelante.

TABLA III FAMILIAS DE DISCONTINUIDADES

Descripción

N 1 Ninguna discontinuidad o algunas discontinuidades dispersas

N 2 a Una familia principal

b Una familia principal y discontinuidades difundidasN 3 a Dos familias principales

b Dos familias principales y discontinuidades definidas

N 4 a Tres (y mas) familias principales

b Tres (y mas) familias principales y discontinuidades difundidas

N 5 Varias discontinuidades sin jerarquización ni constancia en la repartición

Esta organización se observa directamente "insitu", y/o en estereogramas, y se describensegún la tabla III.

d) Espaciamientos (S o R.Q.D.)

El espaciamiento medio es la distancia que existe entre las discontinuidades sucesivas deuna misma familia, según la perpendicular al plano de esta familia.

En el caso de macizos estratificados, se determina como principalmente como el espesorde las capas.



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TABLA IV. CLASES DE ESPACIAMIENTOS

Clases Descripción espaciamiento (S) o (E) Espaciamiento de las discontinuidades

de una familia Espesor de lascapas

S 1 E 1 200cm Discontinuidades muy espaciadas Capas muy gruesas

S 2 E 2 de 60 a 200cm Discontinuidades muy espaciadas Capas muy gruesas

S 3 E 3 de 20 a 60cm Discontinuidades mediante especiales Capasmedianamentegruesas

S 4 E 4 de 6 a 20cm Discontinuidades reducidas Capas delgadas S 5 E 5 de cms Discontinuidades muy reducidas Capas muy

delgadas

TABLA V. INDICE DE CALIDAD DE ROCA

Clases R Q D % Descripción de la facturación RQD 1 > 90 Densidad de facturación muy baja

RQD 2 de 90 a 75 Densidad de facturación mediana

RQD 3 de 75 a 50 Densidad facturación mediana RQD 4 de 50 a 25 Densidad de facturación alta RQD 5 < 25 Densidad de facturación muy alta

Otro parámetro de suma utilidad para medir la frecuencia de discontinuidades es el índicede calidad de la roca (R.Q.D.), propuesto por D. Deere en 1963 el cual se basa en larecuperación modificada de un testigo, con diámetro del orden de 50 mm. Solo se tomanen cuenta los trozos del testigo superiores a 10 cm, en estado sano y compacto, que seancortadas por discontinuidades. La suma acumulada, expresada en porcentaje, sobre lalongitud perforada, proporciona el índice de calidad de la roca, el cual se relaciona con elespaciamiento y densidad de fracturamiento (tabla V).

Existen nuevas técnicas para la medición del R.Q.D., a partir de datos de superficie, lascuales miden el numero total de discontinuidades por metro cúbico o metro lineal. Sinembargo, estas mediciones deben ser corregidas para poder explorarlas al nivel del túnel,

ya que la densidad de discontinuidades no es la misma superficie que a profundidad.

e) Continuidad

Es importante investigar si las discontinuidades conservan o no su continuidad, tantolateral como a profundidad. Una buena ayuda para comprender su comportamiento, esconocer el origen de las discontinuidades y el de la roca misma.



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f) Abertura

La distancia entre las caras de una discontinuidad juega un papel primordial en sucomportamiento mecánico; afecta también la circulación del agua en el macizo, y, comoconsecuencia, las filtraciones del agua hacia la excavación.

g) Morfología

Es un elemento importante en el comportamiento mecánico, en particular su resistencia alcorte; describe la planaridad, las irregularidades y la rugosidad de la superficie de lascaras (Fig.14).

h) Relleno

El comportamiento de una discontinuidad sin relleno es muy distinto al de una con relleno;entonces es necesario precisar la naturaleza, el espesor, la alteración y la resistencia delmaterial de relleno.

Estado de alteración

Las rocas al ser sometidas a la acción agresiva del ambiente, sufren modificaciones en suestructura y en su composición mineralógica.

La alteración se relaciona con la resistencia y deformabilidad de la roca; ya que a mayorgrado de alteración, menor resistencia y mayor deformabilidad del material.

La alterabilidad (capacidad de una roca para alterarse en el futuro) de una roca esconsecuencia de la fisuración y la alterabilidad de sus minerales.

En el caso de túneles carreteros este parámetro es de suma importancia, ya que enalgunas ocasiones, se tiende a construir los túneles, a poca distancia de la pendiente deuna ladera con la finalidad de reducir su longitud, lo cual no es conveniente ya que esprecisamente esta zona donde, comúnmente, es mayor el grado de alteración del macizo.También las zonas de los portales de entrada o salida del túnel son zonas de mayoralteración (Fig. 15)

Para describir el estado de alteración délos macizos rocoso se recomienda utilizar laclasificación mostrada en la tabla VI.

Condiciones hidrogeológicas

La construcción de un túnel puede variar el régimen hidrológico de un lugar, es decir laposición del agua dentro de las rocas, su dirección, velocidad de movimiento y provocarvariaciones en el tiempo (Fig. 16)

Es lógico pensar que si un túnel esta excavado en rocas permeables y se encuentra pordebajo del nivel freático, la presencia de agua dentro de el es muy probable (Fig. 17), porlo que es recomendable ubicar el túnel por encima del nivel hidrostático.



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TABLA VI. DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DE ALTERACIÓN DEL MACIZO ROCOSO

AM 1 Ninguna seña visible de alteración o indicios muy leves de alteraciónlimitados a las superficies de las discontinuidades principales

Sano

AM2 Las superficies de las discontinuidades principales están alteradas

pero la roca solo lo esta levemente

Levemente alterado

AM3 La alteración se extiende a toda la masa rocosa, pero la roca no esfriable

Medianamente alterado

AM4 La alteración se extiende a toda la masa rocosa y la roca es en granparte friable

Muy alterado

AM5 La roca esta totalmente descompuesta y es muy friable. Sin embargola textura y la estructura de la roca están preservadas

Completamente alterado

La cantidad de agua que contiene el macizo rocoso depende de sus propiedades dealmacenamiento y son las que condicionan la cantidad de agua que puede drenar el túnel.

Para que una roca contenga agua debe presentar una permeabilidad ya sea primaria osecundaria, esta última es más común en los macizos rocosos, ya sea por fracturamientoo por fenómenos de disolución (Fig. 17). Las fallas, anticlinales, sinclinales y otrasestructuras geológicas pueden también acumular el agua (Fig. 18).

En general, el caudal de agua que fluye en el túnel disminuye a medida que se avanza enla construcción de este. El fenómeno se debe al abatimiento gradual en el origen de lacorriente y en la disminución del gradiente. También puede darse el caso de que con lasoperaciones constructivas se provoque un fracturamiento de la roca que ocasione unaumento del caudal de agua, o se corte una zona acuífera.

Es importante estimar correctamente el caudal de agua que entrara al túnel, así como ladistribución de los flujos a lo largo de el y sus cambios con el tiempo ya que estos influyenen el programa de construcción.

El agua puede penetrar al túnel de modos diferentes: ya sea o goteando por el techo, conintensidad variable; por las paredes, en forma de gotas o corriente continua; bajo unafuerte presión puede irrumpir en forma de chorro por cualquier punto de la periferia,debido a la presencia de alguna discontinuidad permeable.

En el caso de túnel carreteros ubicados en las laderas o montañas y que se construyasobre roca fracturada o alterada, es muy segura la presencia de agua durante la

construcción, aunque no se encuentre necesariamente por debajo del nivel hidrostático.

Geodinámica externa

Corresponde a la actividad de los agentes modificadores del medio natural que sedesarrollan externamente a la corteza terrestre (agua, viento, temperatura, nieve); esdecir, la Geodinámica externa estudia los fenómenos de erosión y movimientos en masadel terreno como solífluxión, "creep", deslizamientos y avalanchas.



311

Estos parámetros adquieren una importancia muy especial en el caso de los túnelescarreteros cercanos a laderas, ya que es en estas zonas donde los fenómenos degeodinámico externa adquieren mayor importancia (Fig. 18).

La acción erosiva del agua es de las más fuertes, produciendo entre otros problemas:

Alteración física y química de la roca; facilita es deslizamiento de los macizos rocosos alreducir el ángulo de fricción, etc.

La presencia del agua superficial puede ocasionar infiltraciones al túnel, o bien si la fuerzade la corriente es grande, al paso del tiempo, podría llegar a entrar completamente a laexcavación.

El interperísmo actúa sobre las rocas bajando su resistencia mecánica; se produce unazona de descomposición que crea nuevas fracturas, o bien agranda las ya existentes, olas rellena con materiales perjudícales.

Los cambios climáticos extremosos alteran fuertemente algunos tipos de roca (granito).El agua infiltrada en las fracturas o poros al ser sometida a congelamiento aumenta suvolumen ocasionando agrietamientos en el macizo.

Esfuerzos internos

Las rocas, especialmente a profundidad, están afectadas por el peso de los materialesque le sobre nacen y por los esfuerzos que estas ocasionan. En algunas zonas,principalmente en áreas orogénicas, el estado de esfuerzos esta también influenciada porfactores tectónicos, los cuales se presentan en diversas direcciones.

Mientras las rocas contienen confinadas los esfuerzos, se acumularan y pueden llegar avalores altos. Si se altera la condición confinante como en un túnel, los esfuerzosresiduales pueden causar desplazamientos. La cantidad de movimiento depende de lamagnitud de los esfuerzos residuales. Los esfuerzos se miden mediante pruebas decampo.

Las excavaciones subterráneas destruyen el estado de equilibrio existente de losmateriales alterados del túnel y se establecen un nuevo estado de esfuerzos.

Es muy importante detectar cuantificar la magnitud de los esfuerzos para lograr realizar undiseño del revestimiento adecuado y prevenir problemas de inestabilidad.

GRADO DE CONFIABILIDAD EN LA PROYECCIÓN A PROFUNDIDAD OLATERALMENTE DE LOS RASGOS GEOLÓGICOS OBSERVADOS EN SUPERFICIE

Niveles de confiabilidad en la proyección a profundidad o lateralmente de los rasgosgeológicos observados en superficie, según Wahlstrom (1963).



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Proyección con la máxima confiabilidad (Fig.19a)

a) Fallas aisladas y marcadas, zonas de falla o zonas diaclazadas con fronteras planas ybien acusadas de rumbo y echado conocidos por haberse medido en afloramientos obarrenos.

b) Estratos sedimentarios no plegados y no fallados de espesor constante cuyos detallesestratigráficos están disponibles en los exámenes de superficie o bajo superficie.

c) Coladas de lava o de materiales piroclásticos en las que los espesores de las capasindividuales no varía apreciablemente de un lugar a otro.

d) Grandes intrusiones ígneas monolíticas, particularmente grandes cuerpos de granito.

Proyecciones con apreciable confiabilidad (fig.19b)

a) Fallas maestras de tendencias conocidas en regiones de complejidad geológicamoderada.

b) Sistemas de diaclasas asociados a fallas maestras.

c) Conjunto de rocas sedimentarias falladas o plegadas pero con secuencias claramenteentendibles, rocas piroplásticas o coladas de lava, de espesor constante y cuya geometríade plegamientos y fallas es conocida.

d) Conjunto de rocas metamórficas gruesos, no fallados o moderadamente fallados, deestructura regional conocida.

Proyecciones con cierta reserva con respecto a la precisión de la proyección (Fig.19c)

a) Falla secundaria en áreas de fallamiento complejo.

b) Sistemas de diaclasas asociados de fallas subsidiarias o secundarias.

c) Rocas estratificadas plegadas o falladas en la que la geometría de fallas y fracturas esconocida solo parcialmente.

d) Conjuntos de roca estratificadas con discordancias angulares.

e) Conjuntos de rocas estratificadas altamente lenticulares.

f) Intrusiones ígneas transversales como diques y "stocks".

g) Intemperización localizada a lo largo de la zona de fracturamiento.



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h) Alteración destructiva a profundidad por soluciones templadas o calientes de unadiversidad de orígenes.

i) Sistemas o familias de diaclasas aparentemente no relacionados a fallas maestras o afallas secundarias.

j) Intrusiones ígneas lenticulares en rocas metamórficas.

k) Inclusiones lenticulares de rocas metamórficas en cuerpos ígneos.

l) Intrusiones ígneas como los sills

Proyecciones dudosas (Fig. 19d)

a) Fallas o sistemas de diaclasas o subsidiarias, que no afloran en superficie ni seencuentran en los barrenos y que se supone están presentes por los resultados deprospecciones geofísicas de superficie o del análisis de la cubierta de roca y de los rasgostipográficos

b) Zonas alteradas de formas irregulares y de controles desconocidos

c) Rocas estratificadas con estratigrafía y tendencias poco o mal conocidas

d) Rasgos de superficie identificados solo por moteo de muestras lavadas o de residuosde roca u suelo

Proyecciones muy dudosas

a) Proyecciones basadas en hipótesis derivadas del conocimiento de la historia geológicadel área

b) Proyecciones basadas en la teorización e imaginación del geólogo sin una adecuadainvestigación en el terreno.



314

MÉTODO DE EXPLORACIÓN DETALLADA

INVESTIGACIÓN SUPERFICIAL

MAPEO GEOLÓGICO

FOTOINTERPRETACIÓN

GEOLÓGICALEVANTAMIENTO DECAMPO

INVESTIGACIÓN DEL SUBSUELO

MÉTODOS DIRECTOS MÉTODOS INDIRECTOS

PERFORACIONESEXCAVACIONES MÉTODOS GEOFÍSICOS

TÚNELPILOTO

POZO A CIELOABIERTO

SOCAVONESELÉCTRICO SÍSMICO DE

REFRACCIÓN

Fig. 1. Diversos métodos de exploración

Fig. 2. Influencia de la estratificación en el revestimientoDe un túnel (Krinine, 1957).



315

(b)(a)

a b c

Fig. 3 Posiciones extremas de la dirección del túnel en relación a la orientación de la estratificación:a) túnel paralelo al rumbo de las capas

b) y c) túneles perpendiculares al rumbo

a)

b) Fig. 4 Inclinación de los estratos con respecto al túnel:a) túnel perpendicular al rumbo de capas verticales.

b) túnel paralelo al rumbo de capas verticales.



316

Favorable

TúnelDesfavorable

Ancla

Fig. 5 Túnel atravesando capas inclinadas.

a b c

Fig. 6 Diversas posiciones de un túnel con respecto a la entrada de agua a la excavación (Zaruba, 1976)

Fig. 7 Túneles situados en anticlinales y sinclinales (Krynine, 1957)



317

Fig. 8 túneles próximos a laderas escarpadas (Krynine, 1957)

Fig. 9 Túnel en rocas con fuerte inclinación de juntas.Junta entre 45° y 90° paralelas al eje del túnel, dejan bloques

Inestables a, b y e (Bell, 1980)



318

Limite de seccióntransversal según

proyecto (para pago)

Fig. 10 Las rocas estratificadas horizontales cuando son de espesor grandes son estables (Bell, 1980)

B

Fig. 11 Las rocas con estratificación delgada y en posiciónhorizontal o inclinada, que estén afectados por fracturasdan lugar a desprendimientos en el techo (Bell, 1980).



319

horizontal

Norte (N)

Norte (N)

Fig. 12 Dirección del vector nαp (con relación al norte; Aftes).

A

Q

D

RE

TN

EF

S

W

S

P C

O

J

B

E

OB D

C

F

a) b)

a) Esfera que muestra la representación estereográfica de una fractura con rumbo NE 45° SW y echado 45° NW.b) El hemisferio inferior, empleado comúnmente en geología estructural.



320

Fig. 13 Diagrama de frecuencias de las 311 diaclasas de losMontes en Adirondak representadas en el hemisferio

Inferior (C.F.E. 1979)

LISAS

RUGOSAS

PLANAS

RUGOSAS

LISAS

ONDULADAS

LISAS

RUGOSASIRREGULARES

Discontinuidadondulada lisa conrelleno

IMBRICAS DESIMBRICAS

Ejemplo

Fig. 14 Morfología de las discontinuidades (Aftes)



321

zona intemperizada

PortalPortalnúcleo sólido

M A M B M A M

A. CONDICIONES DE ALTA PRESIÓNM. CONDICIONES DE PRESIÓN MEDIAB. CONDICIONES DE BAJA PRESIÓN.

Fig. 15 extensión de la zona intemperizada (de Széchy, 1973, p, 59).

Fig. 16. Origen y distribución de conductas de disoluciónEn calizas (Wahlstrom, 1973).



322

Fig. 17 Condiciones geológicas que ocasionan acumulaciones de cuerpos de aguaatrapados ( Wahlstrom, 1973).

Fig. 18 Pérfil de un Talud Colapsado. 1. Esquisto clorótico. 2. Superficie Original de Talud. 3. Superficie del talud del deslizamiento.(Zaruma, 1976).



323

Fig. 19 Cortes longitudinales hipotéticos a lo largo de trazos de túneles. Perfiles (Wahlstrom, 1973).



324

TIPOS DE SOPORTE RECOMENDADOS POR DEERE EN FUNCIÓN DEL RQD(PARA TUNELES ENTRE 6 Y 12 M).

Calidad de

La roca

Método deperforación

Posibles Sistemas de Soporte

Marcos de acero Anclaje Concreto lanzado

Con topo Ninguno u ocasionales Ninguno u. ocasionales Nada u ocasionalesaplicaciones localesExcelente RQD > 90 marcos ligeros. Peso de

roca:(0,8-0:2)B.

Convencional Ninguno u ocasionalesmarcos ligeros. Peso de la.Roca (0.9-0.3) B.

Ninguno u ocasionales Nada u ocasionalesaplicaciones locales de 2 a 3pulgadas de espesor.

Buena

75<RQD<90

Con topo Ocasionales marcos ligeros a

5 ó 6 pies de separación.Peso de roca

(0.8-0.4)B.

Ocasionales o según una

cuadricula de 5 a 6 pies.

Nada u ocasionales

aplicaciones locales de 2 a 3pulgadas.

Convencional Marcos ligeros, de 5 a. 6 piesde separación. Peso de roca(0.3-1.0)B.

Según una cuadricula de 5 a.6 pies.

Ocasionales aplicacioneslocales de 2 a 3 pulgadas.

Regular

Media 50<RQD<75

Con topo Marcos ligeros a medios de 5a 6 pies de separación. Pesocte roca

(0.4-1.0)B.

Según una cuadricula de 4 a6 pies.

7 a 4 pulgadas en clave.

Convencional Marcos ligeros a medios de 4a 6 pies de separación. Pesode roca (0.6-1.3)B,


4 pulgadas en claves yhastiales.

Mala 25<RQD<50 Con topo Marcos circulares radios de 3a 4 pies de separación. Pesode roca (1.0-1.6) B.


4 a 6 pulgadas con clave yhastiales, combinado conanclaje.

Convencional Marcos medios a pesados de7 a 4 pies de separación.Peso de roca (1.0-2.0) B.

Según una cuadricula de

2 a 4 pies.

6 pulgadas o más en clave yhastiales, combinado conanclaje.

Muy mala Con topo Marcos circulares medios opesados a 2 pies deseparación. Peso de roca(1.6-2.2)B.


6 pulgadas o más en toda lasección. Combinando conmarcos medios.

0<25 Convencional Marcos circulares pesados, a2 pies de separación. Pesode roca superior a 250 pies.


6 pulgadas o más en toda lasección. Combinando conmarcos medios o pesados.

Muy mala Con topo Marcos circulares muy

pesados a 7 pies deseparación. Peso de rocasuperior a 250 pies.

Según una cuadricula de 7 a

3 pies.

6 pulgadas o más de

separación en toda la sección.Combinando marcos pesados.

Convencional Marcos circulares muycesados a 2 pies deseparación. Peso de rocasuperior a 250 pies.

Según cuadricula de 7 a 3pies.

6 pulgadas o más en toda lasección. Combinando conmarcos pesados



325

CONCRETO LANZADO

¿QUE ES EL CONCRETO LANZADO?

PROCESOS SECO Y HÚMEDO

La más amplia definición reconocida del concreto lanzado es la que el Instituto Americanodel Concreto ha tomado al establecerlo por sus comités técnicos y por la edición depublicaciones y especificaciones en todos los aspectos de la materia lo cual apoyamoscon la definición siguiente: "El concreto lanzado es un mortero o concretotransportado a través de una manguera y proyectado neumáticamente a altavelocidad sobre una superficie" Hay dos clasificaciones de concreto lanzado, a las quepodemos llamar proceso húmedo y proceso seco. Gunite se refiere solamente al procesoseco.

¿Que es lo que hace el proceso húmedo?

Un mortero de bajo revenimiento o mezcla de concreto con agregado pequeño seintroduce a una bomba, tanque presurizado u otro dispositivo el cual lo fuerza a través deuna manguera de diámetro pequeño 4 a 6cm a una boquilla donde el aire comprimido seintroduce para proyectar al mortero o concreto sobre la superficie.

¿Que es lo que hace el proceso en seco?

El cemento y la arena seca o húmeda y algunas veces el agregado, son mezclados sinninguna adición de agua, alimentados dentro de una pistola neumática y por medio de unamanguera de diámetro pequeño 4 a 6 cm. a una boquilla donde el agua necesaria para lahidratación se introduce entonces para que toda la mezcla sea proyectada sobre lasuperficie.

¿Por que es diferente del concreto convencional?

A diferencia del concreto convencional el cual primero se coloca y luego se compacta enuna segunda operación, en el concreto lanzado la colocación y compactación se realiza almismo tiempo debido a la fuerza con la cual es proyectado desde la boquilla. Se distinguedel mortero aplicado manualmente o del aplanado por que hay una marcada diferenciaentre ellos, el concreto lanzado es más denso, homogéneo, resistente, e impermeable delo que es posible obtener por cualquier otro proceso. También el concreto lanzado no secoloca ni es contenido por ningún molde y puede lanzarse sobre cualquier superficievertical o por encima (al techo). Forma una excelente adherencia con el substrato y se lepuede dar un acabado de superficie de diversas formas. A principios de 1900, Cari Akeley,un famoso cazador y naturalista desarrollo un método novedoso de fabricación de moldesde yeso de animales grandes para trabajos de taxidermia. El hizo un marco de alambre ycon una pistola especial que el desarrollo aplicó el yeso por medio de spray dentro delmarco por medio de aire comprimido. El principio del método de Akeley fue el alimentarmaterial seco en la pistola transportado hacia la boquilla con aire comprimido yhumedecido con la cantidad apropiada de agua fue lanzado sobre el marco. El resultadofue un recubrimiento delgado resistente casi sin revenimiento y que podía ser eliminado



326

del marco, El problema del yeso era su fraguado rápido antes de que fuera colocadocompletamente. El equipo entonces fue usado para parchar concreto deteriorado con unamezcla arena-cemento. Los resultados fueron excelentes y en 1911 patento su registro ydesarrolló la marca "pistola de cemento" el cual fue llamado Gunite al material producidopor este proceso.

Este desarrollo capto la atención del hombre de negocios Allentown. En 1915 el comprólos derechos y formo la Cement Gun Company ambos para construir la máquina y lostrabajos con Gunite. Allentown Pneumatic Gun, Inc. es el sucesor de la compañía originalGunite, fue registrada como marca hasta 1971, cuando llego a ser parte de nuestrolenguaje. Hasta los años 50 todo el concreto lanzado era un proceso en seco, usandopistolas y tanque presurizado. Durante esa década el tipo de pistola rotatorio fuedesarrollado.

Hoy en día las variaciones de esos dos diseños básicos son usados en todas lasaplicaciones de proceso en seco, el proceso húmedo también fue desarrollado en losaños cincuentas, con tanques presurizados que forzaban a pasar un mortero rígido através de la manguera. El aire adicional era agregado en la boquilla y el proceso llego aconocerse como Shotcrete. Los subsecuentes desarrollos dependieron de las bombas deconcreto y de los diversos tipos de avances en esta tecnología y ahora el proceso en secoes ampliamente utilizado y favorecido para ciertas aplicaciones.

Proceso seco

Materiales

Los diferentes proyectos requieren de diversas mezclas de arena-cemento. El rangobásico es 3:1 hasta 4.5:1, dando resistencias de 200 a 400 kg/cm2 aunque otras mezclasusadas son de aplicaciones especiales. La arena usada puede ser de albañilería o deconcreto, arena con una granulometría típica de:

No. porcentaje que pasa

3/8 de pulgada 100

4 95--100

8 65--90

16 45--75

30 30--50

50 10--22

100 2--8

El contenido de humedad en la arena debe ser del 3 al 5 por ciento así cuando esta esmezclada con el cemento, el cemento recubre las partículas de arena. Esta hidratacióninicial del cemento, disminuye el polvo y reduce el rebote. Sin embargo el exceso dehumedad en la arena, es el problema más común con el proceso en seco Shoterete, yaque puede dejar taponamientos en la manguera y hacer que la limpieza del equipo seamuy dificultosa. Para algunas aplicaciones se puede usar una mezcla de concreto quecontenga agregado hasta de % de pulgada. Cuando se aplica el Shoterete con agregadogrande es muy importante la selección de la pistola adecuada así como la manguera y el



327

volumen de aire comprimido. En otras aplicaciones se usan materiales preparados ypreempacados. Estos pueden variar desde mezclas simples de arena-cemento hastamezclas especiales para reparación y sellado con agentes de fraguado rápido, látex yfibras sintéticas o de acero, humo de sílice u otros aditivos. Los materiales que vienen ensacos se puede introducir directamente a la pistola o en primer término prehumedecidos,

cuando se introducen secos usualmente se necesita una boquilla especial para ayudar ala hidratación y minimizar el polvo y el rebote.

Equipo

El "lanzado neumático" regularmente alimenta el material dentro del flujo de airecomprimido y lo fuerza a través de la manguera. Un compresor de aire:

Usualmente de 10 a 20m3 por minuto de presión de servicio. Los compresores estándarusados en la construcción tienen una capacidad de 7 a 9 Kg/cm2 (100 a 125 lb/pulg2) laoperación de lanzado se realiza usualmente de 3 a 6 Kg/cm2. Una fuente de agua de 19 a38 litros por minuto a una presión de 0.7 a 1 Kg/cm2 más alta que el aire y no se debetomar directamente de un grifo, sino de una bomba de agua o tanque presurizado. Unmezclador: usualmente del tipo mezclador de mortero de paletas.

Mangueras y boquillas: Diversos tamaños y tipos están disponibles para aplicacionesespecíficas. La manguera es especialmente hecha para proceso en seco Shotcrete y sonde hule de goma pura, de buena flexibilidad y alta resistencia a deformarse cuando seenrosca.

Aplicación con la boquilla

La colocación de calidad del proceso en seco Shotcrete depende primariamente de lahabilidad del boquillero. Una vez que la superficie esta apropiadamente limpia y lacolocación se inicia, el boquillero es un punto de control. El debe agregar el aguaapropiada para la hidratación y el rendimiento del trabajo reconocidos para un ángulo dela boquilla material acumulado, recubrimiento del acero de refuerzo, consideraciones derebote, y el espesor del acabado de la superficie.



328

El producto

Adhesión y Adherencia

La adherencia con concreto tabique o piedra apropiadamente limpia es más resistenteque el material al cual se aplica.

Densidad

La fuerza de aplicación promedio de aire comprimido y el efecto de forjado en frío de laspartículas más grandes resulta en una masa más densa e impermeable con un mínimoabsoluto de aire incluido.

Resistencia a la compresión

Alta resistencia, dureza y resistencia a la abrasión del material son atribuibles a dosfactores... el método de colocación y la adición de una cantidad apropiada de agua. Laresistencia última a la compresión que ha sido probada es de 220kg/cm2 o más alta a los28 días.

Resistencia a la absorción o filtración

La calidad de densidad e impermeabilidad del proceso seco "Shotcrete" le permitirásoportar condiciones las cuales ordinariamente destruyen o dañan al concreto. El concreto

lanzado ha sido usado exitosamente en estructuras sujetas a ácidos, álcalis, agua de mar,y ciertos humos corrosivos.

Baja relación agua cemento

Las excelentes propiedades físicas del material son debidas al contenido de agua, queserá la cantidad necesaria para satisfacer la hidratación química (en promedio de 11 a 13Its. por saco de cemento). Podemos agregar que cuando se coloca a alta velocidad en



329

contra de una superficie puede ocurrir que se aplique fuera de su lugar resultando en elrechazo, exceso de material o rebote.

Expansión

Las características de expansión del proceso en seco Shotcrete son casi idénticamentesimilares a las del acero o bajo carbón. Lo que permite flexibilidad minimiza elagrietamiento.

Resistencia al fuego

Pruebas de laboratorio efectuadas ampliamente sobre losas le dan al proceso en secoShotcrete un extraordinario comportamiento para la construcción.

Cimbras

El proceso en seco Shotcrete puede ser colocado en contra de superficies sin ningunacimbra y conformarán cualquier irregularidad en la superficie. El espesor puede ser desde1cm hasta 25 o 30 y más.

Acabado

El fraguado parcial del Shotcrete se puede "cortar o redondear" a la línea final o curvarequerida. La superficie también puede quedar con el lanzamiento instantáneo para dar unacabado de lanzado natural; aplanado, o pulido con herramientas de acero, madera o huledependiendo del acabado deseado.

Generalidades

El proceso en seco puede ser usado para cualquier aplicación de concreto lanzado(Shotcrete) desde el más pequeño remiendo y sellado hasta el proyecto más grande, talcomo túneles, revestimientos, albercas, canales o contenedores. La producción esgeneralmente referida a sacos de cemento por hora o en m3 por hora de volumen demezcla dentro de la pistola.

La producción máxima alcanzada con equipo de proceso en seco es de 7.6 a 9.2 m3 porhora de mezcla seca, la cual colocada en el lugar es de 4.6 a 6.1 m3 por hora debido a lapérdida por compactación y rebote. Para alcanzar esta capacidad última es necesario usarmangueras de 5 a 6 cm. de diámetro y un compresor de 25m3 por minuto. La mayoría delas aplicaciones se producen a un ritmo de 30m3 por hora de mezcla o de 1.5 a 3.8m3 porhora colocados en el lugar usando mangueras de 3.7 a 4.2 cm. de diámetro y uncompresor de 17m3 por minuto. Para remiendos y sellamientos se requiere mayor rapidezde producción y se hace con mangueras de 2.5 a 3.2 cm. de diámetro y un compresor de10m3 por minuto. Las ventajas del proceso seco son la facilidad de iniciar, de lanzar, y lalimpieza. El control de los materiales se hace todo en el lugar, una ventaja adicional esque el boquillero puede estar hasta 300m horizontales o 150m verticales desde lalanzadora. La principal desventaja son las grandes cantidades de aire comprimido



330

requeridas para colocar los grandes volúmenes, la necesidad de un boquillero competentey la limpieza del rebote.

PROCESO HÚMEDO

MaterialesLa mayoría de los procesos húmedos Shotcreting del concreto lanzado se hacen conmortero premezclado o concreto especial. El diseño de mezcla y la consistencia delsuministro son muy importantes en orden de surtir una mezcla con la trabajabilidad oplasticidad para ser bombeada a través de una manguera de diámetro pequeño. Elproblema más común con el proceso húmedo es el diseño de mezcla inapropiado o lasvariaciones de materiales las cuales causan bloqueos en la bomba o manguera. Lagranulometría de la arena es la misma que la de proceso seco y usualmente se agrega deun 20 a un 30 por ciento de gravilla, el contenido de cemento es de 6 sacos de cementopara 210kg/cm2 y 7 sacos de cemento para 350 kg/cm2, los aditivos reductores de aguausualmente se especifican en diseños que requieren revenimiento de 2.5 a 5cm.

Equipo

La bomba: Una bomba de pistón mecánica o hidráulica o de retacado, con presión desalida de 35 a 70kg/cm2, para un rango de 20 a 30 m3 de un tanque presurizado del tipode sistema para "bachadas".

Un compresor de aire: con capacidad de 4 a 7 m3 por minuto.

Manguera y boquilla: Una manguera para bombear concreto a alta presión (56 a 210kg/cm2 de presión de trabajo) y una boquilla para Shotcrete para concreto lanzadohúmedo, el diseño de la boquilla es menos importante que para el proceso seco ya quesolamente se introduce aire.

Boquillero

El boquillero que coloca el proceso húmedo Shotcrete de concreto lanzado tiene queutilizar los procedimientos recomendados para ángulos de la boquilla, el recubrimiento delesfuerzo, el material reincorporado y el espesor del acabado, el boquillero no tiene laresponsabilidad adicional del control del agua dentro de la mezcla y por lo tanto de laresistencia a compresión del producto terminado.

El producto

Las características físicas del proceso húmedo del concreto lanzado Shotcrete caendentro del concreto colocado y del proceso seco. La relación agua cemento y la densidadno son tan desventajosas como en el proceso seco, pero debe haber una buena adhesióny resistencia a la compresión y el material puede ser colocado en cualquier superficie sincimbra. El acabado es más fácil que con el proceso seco.



331

Generalidades

El proceso húmedo de aplicaciones como el proceso seco. Se utiliza primeramente enproyectos de grandes volúmenes, donde se es más favorable que el proceso seco.También se utiliza en pequeños trabajos de reparación y remiendo. El proceso húmedo es

usualmente especificado para espesores de 5cm o más en vez de rangos de producciónde 11 a 15 m3 por hora, dicha producción es alcanzable en el lugar donde se lanza sobrependientes o muros verticales. Esto lo hace más económico en los grandes proyectos.

Si se especifica concreto lanzado para aplicarse hacia arriba se deben de adicionaraditivos acelerantes para proveer un fraguado instantáneo. Las principales ventajas delproceso seco son los rangos de alta producción, el bajo o ningún rebote, el mínimo polvo,y una menor necesidad de entrenamiento para el boquillero. Las desventajas son lanecesidad de un buen suministro de mezcla y ocasionalmente se requiere descartaralguna carga de mezcla y hace más dificultoso la limpieza del equipo, las mangueras y laboquilla.

Información técnica adicional

Especificaciones detalladas sobre los materiales y procedimientos usados para concretoslanzados son editados y actualizados por American Concrete Instituto ellos tienen tambiéndisponibles un número de artículos y libros sobre el tema.



332

CLASIFICACIÓN DE LOS MACIZOS ROCOSOS

CLASIFICACIÓN CSIR DE LOS MACIZOS ROCOSOS FISURADOS

No existe clasificación sencilla alguna que pueda dar una idea del comportamiento

complejo de la roca que rodea una excavación y esto es lo que se habrá comprendido delcomentario anterior. Por lo tanto, puede ser necesaria alguna combinación de los factorescomo el RQD y la influencia de rellenos arcillosos y de la meteorización Bieniawski delSouth African Council for Scientific and Industrial Research (CSIR), (Consejo de África delSur para la Investigación Científica e Industrial) propuso una clasificación de este tipo.Ésta se estudiará con algo de detenimiento ya que se trata de una de las dosclasificaciones que los autores de este libro recomendarían para usarse en el diseñopreliminar de excavaciones subterráneas. Bieniawski2' aconseja que una clasificación deun macizo rocoso fisurado debe:

1. Dividir el macizo en grupos de comportamiento parecido2. Proporcionar una buena base para la comprensión de las características del macizo.3. Facilitar la planeación y el diseño de estructuras en la roca al proporcionar datoscuantitativos que se necesitan para la solución de problemas de ingeniería, y4. Proporcionar una base común de comunicación efectiva para todas las personasinteresadas en un problema de geomecánica.

Este propósito se lograría si la clasificación:

1. Es sencilla y significativa en sus términos; y2. Se apoyo en parámetros que se dejan medir y pueden establecerse en el campo demanera rápida y económica.

Para cumplir con estos requisitos, Bieniawski propuso originalmente que su "Clasificacióngeomecánica" comprendiera los siguientes parámetros;

1. RQD (Índice de calidad de la roca)2. Grado de la meteorización3. Resistencia a la compresión uniaxial de la roca inalterada4. Distancia entre si de fisuras y estratificación5. Orientaciones del rumbo y el echado6. Separación de las fisuras7. Continuidad de las fisuras, e8. Infiltraciones de aguas subterráneas

Después de lograr algo de experiencia en la aplicación práctica de la Clasificación deGeomecánica (CSIR) original, Bieniawski modificó su sistema, eliminando el grado de meteorización como parámetro separado, ya que su efecto está tomado en cuenta en laresistencia a la compresión uniaxial e incluyendo la separación y la continuidad de lasfisuras en un nuevo parámetro: el estado de las fisuras. Además, eliminó de la lista deparámetros básicos la orientación del rumbo y el echado y sus efectos se toman en cuen-ta con un ajuste a la clasificación después de evaluar los parámetros básicos.



333

Finalmente los cinco parámetros básicos de la clasificación quedaron como sigue:

1. Resistencia de la roca inalterada. Bieniawski emplea la clasificación de la resistencia ala compresión uniaxial de la roca que proponen Deere y Miller10 y que se señala en laTabla 3. Como alternativa se podrá utilizar la "Clasificación de carga de punta" (que se

define y se describe en la página 62 de este libro), para cualquier tipo de roca, excepto lamuy frágil.

2. RQD (índice de calidad de la roca según Deere).

3. Espaciamiento de fisuras. En este texto, el término fisura se utiliza para toda clase dediscontinuidades como las fisuras, fallas, planos de estratificación y otros planos dedebilidad. De nuevo Bieniawski utiliza la clasificación propuesta por Deere" y señalada enla tabla 4.

Tabla 4. Clasificación de Deere para el espaciamiento de fisuras

DESCRIPCIÓN ESPARCIMIENTO DE FISURAS APRECIACIÓN

DE LA ROCAMuy separado >3m >10 pie sólida

separado 1m a 3m 3 pie a 10 pie masiva

medianamentecerca

0.3m a 1m 1 pie a 3 piebloques

junteados

cerca 50mm a 300mm pulg a 1 pie fracturada

muy cerca <50mm < 2 pulgtriturada y

molida

4. El estado de las fisuras. Este parámetro toma en cuenta la separación o abertura de lasfisuras, su continuidad, la rugosidad de su superficie, el estado de las paredes (duras oblandas) y la presencia de relleno en las fisuras.

5. Condiciones del agua subterránea. Se hace un intento de medir la influencia del flujo deaguas subterráneas sobre la estabilidad de excavaciones en términos del caudalobservado que penetra en la excavación, y de la relación que existe entre la presión delagua en las fisuras y el esfuerzo general principal, o con alguna observación cualitativageneral relacionada con el agua subterránea.

La forma en la que estos parámetros han sido incorporados en la Clasificación deGeomecánica CSIR para macizos fisurados. Bieniawski reconoció que cada parámetro nocontribuye necesariamente de igual manera al comportamiento del macizo. Por ejemplo,un RQD de 90 y una resistencia a la compresión uniaxial de 200 MPa parecerían indicar

una Roca de Calidad excelente, pero una infiltración grande en esta misma roca puedecambiar radicalmente esta opinión. Por lo tanto, Bieniawski aplicó una serie de"valuaciones de importancia" de sus parámetros en concordancia con las ideas deWickham, Tiedemann y Skinner21. Cierto número de puntos o una valuación se otorga acada serie de valores de cada parámetro y se llega a una valuación general del macizo alsumarse la valuación de cada uno de los parámetros. Esta valuación general necesita unajuste por el concepto de la orientación de las fisuras o que se logra cuando se aplican lascorrecciones que señala la parte B de la tabla 5.



334

En la tabla 6 se da una explicación de los términos descriptivos usados para este fia. Laparte C de la tabla 5 muestra la clasificación y la descripción del macizo rocoso según lasvarias valuaciones totales. En la parte D de la tabla 5 se da una interpretación de estasvaluaciones en términos de tiempo de sostén para las excavaciones subterráneas y losparámetros de la resistencia del macizo rocoso.

Bieniawski ha relacionado su valuación del macizo rocoso (o marcador total de la va-luación del macizo) con el tiempo de soporte de un claro activo sin ademe como lo propu-so originalmente Lauffer.' La relación de referencia se señala en la figura 6 de la página36, y un ejemplo práctico que implica el uso de esta figura se examina más abajo. Laaplicación de la Clasificación Geomecánica (CSIR) para elegir el sistema de refuerzo sub-terráneo no se discutirá aquí sino en un capitulo posterior que trata de los refuerzos parala roca.

Tabla 5. Clasificación geomecánica CSIR de macizo de rocafisurada

A. Clasificación de los parámetrosy su evaluación.

parámetro Escalas de valores

1

resistenciade la rocainalterada

índice de lacarga de punta

>8 Mpa 4-8 Mpa 2-4 Mpa 1-2 MpaPara escala tan baja seprefiere la prueba de la

resistencia a la comp. Uniaxial.

Resistencia acomp. Uniaxial

>200 Mpa 100-200 Mpa 50-100 Mpa 25-50 Mpa10-

25Mpa3-10 Mpa

1-3Mpa

valuación 15 12 7 4 2 1 0

2calidad de corazones de

explosión, RQD90%-100% 75%-90% 50%-75% 25-50% <25%

valuación 20 17 13 8 3

3espaciamiento de juntas >3m 1-3m 0.3-1m 50-300 mm <50mm

valuación 30 25 20 10 5

4estado de las fisuras

Superficies muyrugosas,sin

continuidad, sinseparación.

Paredes de rocadura

superficies algorugosas,

separación<1mm paredesde roca dura

superficies algorugosas,

separación<1mm paredesde roca suave

Superficiespulidas o

relleno<5mm.Esp. o fisuras

abiertas 1-5mmfisuras continuas

relleno blando <5mm o fisurasabiertas <5mm fisuras continuas

valuación 25 20 12 6 0

5aguas

subterráneas

cantidad deinfiltración losio

m de túnelninguna <25 litros/min

25-125

litros/min>125 litros/min

relaciónpresión de

agua o en lafisura

cero 0.0-0.2 0.2-0.5 >0.5

relaciónesfuerzo

principal omayor

totalmente secosolo húmedo

(agua deintersticios)

ligera presiónde agua

serios problemas de agua

valuación 10 7 4 0



336

Ejemplo práctico del uso de la clasificación de geomecánica (CSIR)

Considérese el ejemplo de un macizo granítico en el que hay que perforar un túnel. Laclasificación tendrá que llevarse a cabo de la manera siguiente:

Parámetro de clasificación Valor o descripción Valuación

1.-Resistencia del material inalterado 150Mpa 122.-RQD 70% 133.-Espaciamiento de fisuras 0.5M 204.-Estado de fisuras Superficies levemente rugosas.

Separación < 1 mm. Paredesde roca dura 20

5.-Agua subterránea Agua con presión moderada 4Marcador total 69

El túnel quedó orientado de tal forma que el sistema principal de fisuras tiene un rumboperpendicular al eje del túnel con un echado de 30° contra la dirección de la penetración.

La tabla 6 señala que esta situación es desfavorable, por lo que se hace un ajuste de —10según la Tabla 5B.

En esta forma el marcador final es de 59, lo que coloca la roca en la parte alta de laClasificación III con mención "regular".

La figura 6 indica un tiempo de sostén de aproximadamente 1 mes para un túnel de 3 msin ademe.



337

TIEMPO DE SOSTÉN (HORAS)

10

1

0.5

15

10

C L A R O S I N A D E M E ( M E T R O S )

1

2

3

4

5

6

8

1 Hora2

1010

4

Roca mala

5

Rocamuymala

20

20

3

Roca regular

40

60

40

20

HorasMinutos

13010 1 2 3 5 10 20

Días

10

43

105

10

0.5 m

12

Rocamuybuena

Roca buena

8060

10 m

8 m

6 m

5 m

4 m

3 m

2 m

1 m

15 m

1054325432

AñosMeses

1020

Figura 6. Relación entre el tiempo de sostén de un claro de una excavación subterránea sin ademe y la Clasificación Geomecánica

CSIR propuesta por Bieniawski.

ÍNDICE DE CALIDAD DE TÚNELES (NGI)

Basándose en una gran cantidad de casos tipo de estabilidad en excavacionessubterráneas, Barton, Lien y Lunde del Norwegian Geotechnical Institute (NGI) (Institutode Geotecnia de Noruega), propusieron un índice para determinar la calidad del macizorocoso en túneles. El valor numérico de este índice Q se define por:

SRF

J X

J

J X

J

RQDQ w

a

r

n

Donde:

RQD = es el índice de calidad de la roca de Deere.Jn = es el número de sistemas de fisuras (joint set number).Jr = es el número de la rugosidad de las fisuras (joint roughness number).Ja = el número de la alteración de las fisuras (joint alteration number)Jw = es el factor de reducción por agua en las fisuras (joint water reduction factor) ySRF = es factor de reducción por esfuerzos (stress reduction factor)



338

La definición de estos términos se entiende por sí sólo, sobre todo si el valor numérico decada uno se saca de la Tabla 7. Para explicar cómo llegaron a la ecuación paradeterminar el Índice Q, Bortan, Lien y Lunde ofrecen los comentarios siguientes:

El primer cociente (RQD/Jn), que representa la estructura del macizo es una medida

rudimentaria del tamaño de los bloques o de las partículas con dos valores extremos(100/0.5 y 10/20) con un factor de diferencia de 400. Si se interpreta el cociente enunidades de centímetros, los tamaños de "partículas" de 200 a 0.5 cm se pueden apreciarcomo aproximaciones gruesas pero bastante realistas. Probablemente los bloques másgrandes tendrían varias veces este tamaño y los fragmentos chicos menos de la mitad(partículas de arcilla desde luego no se toman en cuenta).

El segundo cociente (Jr/Ja) representa la rugosidad y las características de la fricción delas paredes de las fisuras o de los materiales de relleno. Este cociente se inclina a favorde juntas rugosas e inalteradas que se encuentran en contacto directo. Se puede pensarque estas superficies están cerca de la resistencia óptima, que tenderán a dilatarsefuertemente cuando estén sometidas a esfuerzos cortantes y que por lo tanto serán muyfavorables a la estabilidad de un túnel. Cuando las fisuras tienen recubrimientos y rellenosarcillosos delgados se reduce notablemente su resistencia. Sin embargo, el contacto delas paredes después de un ligero desplazamiento por el esfuerzo cortante puede ser muyimportante y salvar la excavación de un colapso. Donde no haya contacto de paredes, lasituación para la estabilidad de un túnel se presenta de manera muy desfavorable.

Los "ángulos de fricción" que señala la tabla 7 están un poco por debajo de los valores deresistencia residual de la mayoría de las arcillas y es posible que hayan sido rebajadospor la tendencia que tienen estos lentes de arcilla o rellenos de consolidarse durante elesfuerzo cortante. Y esto sucede por lo menos cuando los lentes se consolidannormalmente o cuando hubo ablandamiento o expansiones de los mismos. Tambiénpuede intervenir aquí el factor de la presión de expansión del mont-morillonita.

El tercer cociente (Jw/SRF) consiste en dos parámetros de fuerzas. SRF es un valor de:1) la carga que se disipa en el caso de una excavación dentro de una zona de fallas y deroca empacada en arcilla; 2) los esfuerzos en una roca competente, y 3) las cargascompresivas en rocas plásticas incompetentes. Se puede considerar como un parámetrototal de esfuerzos. En cuanto al parámetro Jw se trata de una medición de la presión delagua que tiene un efecto negativo en la resistencia al esfuerzo cortante de las fisurasdebido a la reducción en el esfuerzo efectivo normal. El agua puede causar además, unablandamiento de las arcillas e incluso posiblemente su lavado. Se demostró que esimposible combinar estos dos parámetros en términos de esfuerzos normales efectivosentre bloques, ya que paradójicamente un valor alto de esfuerzo efectivo normal indica aveces condiciones menos estables que un valor bajo a pesar de tener una resistenciamayor al esfuerzo cortante. El cociente (Jw/SRF) es un factor empírico complicado quedescribe las "fuerzas activas".

Se ve ahora que la calidad Q de roca para los túneles puede considerarse como unafunción de sólo tres parámetros que son medidas aproximadas de:



340

4. Número de alteración de las juntas Ja Ф r

a) contacto en las paredes de la roca

A. Relleno soldado, duro, inablandable, impermeable. 0.75

B. Paredes inalteradas, sólo con manchas desuperficie.

1.0 (25°-35°)

C. Paredes ligeramente alteradas, con recubrimientosde minerales inablandables, partículas arenosas, rocatriturada sin arcilla.

2.0 (25°-35°)

Los valores de Ф r, el ángulo de fricciónresidual, se indican como guía aproximada

de las propiedades mineralógicos de losproductos de alteración, si es que están

presentes.

D. recubrimientos limosos o areno arcillosos,pequeñas particulas de arcilla (inablandable).

3.0 (20°-25°)

E. Recubrimientos ablandables o con arcilla de bajafricción o sea Kaolinita o mica. También clorita, talco,yeso y grafito, etc. y pequeñas cantidades de arcillasexpansivas (recubrimientos sin continuidad de 1-2 mmde espesor o menos).

4.0 (8°-16°)

b) contacto en las paredes antes de un cizalleo de 10cm.

F. Partículas arenosas, roca desintegrada sinarcilla.etc.

4.0(25°-30°)

G. rellenos de minerales arcillosos muy consolidadose inablandables (continuos <5mm de espesor)

6.0 (16°-24°)

H. Rellenos de minerales arcillosos de consolidaciónmedia o baja (continuos, <5mm de espesor)

8.0 (8°-16°)

J. Rellenos de arcillas expansivas o seamontmorllonita (continuos <5mm de espesor). El valorJa depende del porcentaje de partículas expansivas ydel acceso al agua

8.0-12.0 (6°-12°)

c) sin contacto de las paredes después del cizalleoK. Zonas o capas de roca y arcilla desintegrada. 6

L. o triturada (vease G,H y J para 8M. Condiciones de arcilla 0.8-12.0

N. Zonas o capas de arcilla limosa o arenosa,pequeñas fracciones de arcilla (inablandable)

5

Q. Zonas o capas gruesasP. de arcilla (vease G,H y J para 10.0-13.0

R. las condiciones de la arcilla 13.0-20.0 (6°-24°)



341

5. Factor de reducción por agua en las fisuras Jwpresión aprox. del agua

(kgf/cm2)

A. Excavación seca o poca infiltración. o sea <5/minlocalmente

1 1

B. Infiltración o presión medianas con lavadoocasional de los rellenos.

0.66 1.0-2.5

C. Gran infiltración a presión alta, lavado importantede los rellenos.

0.5 2.5-10.0

1. Losfactores C a F

sonestimacionesaproximadas. Aumenta Jwsi se instalan

drenes

D. Gran infiltración a presión alta, lavado importantede los rellenos.

0.33

E. Infiltración o presión excepcionalmente altas conlas voladuras, disminuyendo con el tiempo. 0.2-0.1 10

2. losproblemasespeciales

causados porla presencia

de hielo no setoman en

consideración.F. Infiltración o presión excepcionalmente altas entodo momento.

0.1-0.05 10



342

6. Factor de reducción de esfuerzos

a) zonas de debilidad que interesan la excavación yque pueden ser la causa de que el macizo sedesestabilice cuando se construye el túnel.

SRF

A. Múltiples zonas de debilidad que contengan arcilla

o roca químicamente desintegrada, roca circundantemuy suelta (cualquier profundidad). 10

1. redúzcanse estosvalores SRF de 25-50%

si las zonas de

fracturas sólo interesanpero no cruzan la

excavación.

B. Zonas de debilidad aisladas que contengan arcilla oroca químicamente desintegrada ( profundidad deexcavación < 50m)

5

2. Para un campovirgen de esfuerzos

fuertementeanisotrópico (si se

mide):

C. zonas de debilidad aislada que contengan arcilla o

roca químicamente desintegrada (profundidad deexcavación >50m).

2.5

Cuando 5<=σ1/σ3<=10reduzcase σc a 0.8 yσt. A 0.8 σt. Cuando

σ1/σ3>10 redúzcase σty σc a 0.6σc y 0.6σt

donde σc=fuerzacomprensiva noconfinada y σt= fuerzade tensión (carga depunta) y σ1 y σ3 sonlas fuerzas mayores ymenores principales.

D. Múltiples zonas de fracturas en roca competente(sin arcilla), roca circundante suelta (cualquierprofundidad)

7.5

E. Zonas de fracturas aisladas en roca competente(sin arcilla), (profundidad de la excavación < 50m)

5

F. Zonas de fracturas aisladas en roca competente(sin arcilla), (profundidad de la excavación >50m)

2.5

G. Fisuras abiertas sueltas, fisuración intensa(cualquier profundidad).

5

b) roca competente, problemas de esfuerzos SRF

3. Hay pocos casosreportados donde eltecho debajo de la

superficie sea menorque el ancho del claro.Se sugiere que el SRFsea aumentado de 2.5a 5 para estos casos

(vea H).H. esfuerzo bajo, cerca de la superficie. 2.5

J. Esfuerzo mediano 200-100 13-0.6 1

K. Esfuerzo grande, estructura muy cerrada(generalmente favorable para la estabilidad, puede ser

desfavorable, para la estabilidad de tablas).

10-5 0.66-0.33 0.5-2

L. Desprendido moderado de la roca (roca masiva) 5-2.5 0.33-0.16 05--10

M. Desprendido intenso de la roca (roca masiva) <2.5 <0.16 10--20

c) roca compresiva, flujo plástico de roca incopetentebajo la influencia de presiones altas de la roca.

SRF

N. Presiones compresivas moderadas 5--10

O. Presiones compresivas altas 10--20

d) roca expansiva, acción química expansivadependiendo de la presencia de agua

P. Presiones expansivas moderadas. 5--10

R. Presiones expansivas altas. 10--20



344

Q, el proceso de determinar los varios factores que se necesitan para su computaciónconcentra la atención del proyectista sobre algunos aspectos importantes que se olvidanfácilmente durante una investigación de campo. Se "palpa" cualitativamente al macizodurante este proyecto, lo que puede tener una importancia casi igual que la de calcularposteriormente el valor numérico de Q.

Para poder relacionar su Índice de Calidad para Túneles Q con el comportamiento de unaexcavación subterránea y con las necesidades de ademe de la misma, Barton, Lien yLunde inventaron un elemento cuantitativo adicional que llamaron "La dimensiónequivalente De de la excavación. Esta dimensión se obtiene al dividir el ancho, diámetro oaltura de la excavación por una cantidad llamada "relación de soporte de la excavación"(ESR: Excavation Support Ratio).

nESRaexcavació soportedel relaciónde

mlturadiametrooa xcavación Anchodelae De

)(,

La relación de soporte de la excavación ESR tiene que ver con el uso que se pretende dara la excavación y hasta dónde se le puede permitir cierto grado de inestabilidad. Barton dalos siguientes valores supuestos para ESR:

Tipo de excavación

A. Excavaciones mineras provisionales. (ESR 3 – 5)

B. Excavaciones mineras permanentes, túneles de conducción de agua para obrashidroeléctricas (con la excepción de las cámaras de alta presión para compuertas),túneles piloto (exploración), excavaciones parciales para cámaras subterráneas grandes.

(ESR 1.6) C. Cámaras de almacenamiento, plantas subterráneas para el tratamiento de aguas,túneles carreteros y ferrocarriles pequeños, cámaras de alta presión, túneles auxiliares.(ESR 1.3)

D. Casas de máquinas, túneles carreteros y ferrocarrileros mayores, refugios de defensacivil, portales y cruces de túnel. (ESR 1.0)

E. Estaciones núcleo eléctricas subterráneas, estaciones de ferrocarril, instalaciones paradeportes y reuniones, fábricas. (ESR 0.8)

La ESR es más o menos análoga al inverso del "factor de seguridad" empleado en el di-seño de taludes.

La relación entre el Índice de Calidad para Túneles Q y la dimensión equivalente De deuna excavación que se sostendrá sin ademe se ilustra en la figura 7. Barton. Lien y Lundey Barton presentaron unas gráficas mucho más complicadas a partir de las cuales sepueden estimar las necesidades de ademe; se pospone el estudio de estas gráficas paraun capitulo posterior en el que se examinarán en detalle los sistemas de ademe.



345

Ejemplo práctico de la utilización del Índice de Calidad de Túneles (NGI)

Se requiere una planta subterránea de trituración en el pie de roca caliza de unaformación de vetas de plomo-zinc y se necesita saber el claro que se podrá dejar sinademe. Se hace el análisis en la forma siguiente:

Concepto Descripción Valor

1.-Calidad de roca Buena RQD = 80%2.-Sistemas de fisuras 2 sistemas Jn = 43.-Rugosidad de fisuras Rugosas Jr = 34.-Estado de fisuras Relleno de arcillas Ja = 45.-Estado del agua en

fisuras Grandes infiltraciones Ju = 0.446.-Reducción de esfuerzos Esfuerzos medianos SRF = 1.0

50

100

10

5

1

0.5

0.10.001 0.005 0.01 0.5 -1 10.5 5 10 50 100 500

REQUIERE ADEME

NO REQUIERE ADEME

EXCEPCIONALM-ENTE MALA

EXTREMADAM-ENTE MALA MUY MALA MALA REG. BUENA

MUYBUENA

EXT.BUENA

EXC.BUENA

CALIDAD PARA TÚNELES SFR

J x J

J x J

QRDQ

w

a

r

n

Figura 7. Relación entre la dimensión equivalente máxima De de una excavación subterránea sin ademe y del índice Q de la calidadpara túneles (NGI) (según Barton, Lien y Lunde).



346

CAPÍTULO 13

PROBLEMAS ESPECÍFICOS DE GEOTÉCNIA EN PRESAS

GENERALIDADES

Una presa es una obra civil que se construye a través de un curso de agua (río o arroyo)con objeto de derivar o almacenar sus aguas. La derivación se hace al sobre elevar elnivel del agua de la corriente con una estructura rígida de mampostería o de concreto, laque en época de avenidas es cubierta por las aguas que fluyen sobre ella.

El almacenamiento se logra al cerrar el paso al curso del agua obligando de esta maneraa que el agua se acumule en el valle aguas arriba del sitio en que se coloca el obstáculo;este hecho provoca además que la energía con la que viene el agua disminuyaoriginándose además un embalse.

Una presa de almacenamiento como se verá mas adelante, consta de cuatro partes: lacortina que es la estructura principal y la mas importante que se construye como barrerapara almacenar el agua, el vertedor u obra de excelencias, la obra de toma y el embalse.

La selección de un sitio para la construcción de una presa y la ubicación precisa de lacortina y obras auxiliares requiere de la cuidadosa consideración de factores como:

-Topografía: forma y amplitud del estrechamiento y longitud del valle fluvial.-Condiciones geológicas: tipos de rocas, presencia de fallas y bancos de material.-Mano de obra disponible y aspectos socioeconómicos

En circunstancias excepcionales y sin mayor estudio, los ingenieros especializados, congran experiencia pueden sugerir cual es el tipo de cortina que mas conviene y cual es elmas económico para un sitio determinado; aunque siempre es necesario luego de lainvestigación geotécnica del sitio el análisis de varios tipos de cortinas antes de decidircuál es la mas adecuada, tanto desde el punto de vista técnico como del económico.

USOS DE LAS PRESAS

Los usos que puede tener una presa son muy variados, sin embargo, se pueden dividir endos grandes grupos:

a) Aprovechamiento b) Defensa A continuación se presenta una relación de los usos más comunes que puede tener unapresa, aclarando que estos usos no son los únicos, ya que, una presa puede ser de usosmúltiples, es decir, ser construida para lograr varios de ellos a la vez.

Se hace notar que la relación no es exhaustiva.



347

Aprovechamiento:

a) Irrigación f) Acuaculturab) Abastecimiento de agua potable g) Vasos reguladoresc) Generación de energía eléctrica h) Tanques de enfriamiento

d) Navegación i) Jalese) Recreación j) Salmuerask) Presas Derivadoras

Defensa:

a) Control de avenidasb) Control de Azolves

PARTES DE UNA PRESA Y OBRAS AUXILIARES

A continuación se proporcionan algunos conceptos que ayudan a describir una presa(Vega Roldán, 1978):

Cuenca fluvial o de captación.- Es el área tributaria hasta un punto determinado de lacorriente, que está separada de las cuencas adyacentes por un parteaguas.

Vaso de almacenamiento o embalse.- Es el área inundada por las aguas acumuladaspartir de la cortina y hacia aguas arriba.El nivel máximo que alcanza el agua, definido prácticamente por la cima de la obra deexcedencias, se conoce como NAME que quiere decir Nivel de Aguas del MáximoEmbalse.

Boquilla.- Estrechamiento a partir del cual se inicia el vaso o sitio estrecho en el curso deun río o arroyo en el terreno montañoso o de relieve moderado, cuyo perfil tiene forma de"V" o "U", o inclusive irregular.

Las obras o estructuras auxiliares de una presa son:

Obra de desvío.- Son obras de carácter temporal que pueden tener utilización posterior,cuyo objeto es controlar adecuadamente las aguas de un río durante la construcción de lacortina (por lo regular son túneles aunque en caso de corrientes de poco caudal o arroyospuede ser un canal).

Ataguías.- Obstáculos o estructuras deformables a manera de cortinas pequeñas, que seconstruyen aguas arriba y aguas abajo del sitio donde se ubicará la cortina principal, parade esta manera mantener seco el sitio de construcción.En el caso de estructuras de tierra y enrocamiento llegan a formar parte de la cortina y laataguía de aguas arriba se construye próxima a la entrada del o los túneles de desvío.



348

Obra de excedencias o Vertedor de demasías.- Estructura rígida que permite que losexcedentes del agua almacenada pasen de nuevo al río, sin peligro para la cortina. Estaobra puede tener además compuertas para aumentar el almacenamiento.

Obra de toma.- Estructura rígida provista de compuertas que permite la extracción del

agua del embalse para los fines deseados.Obra de control.- Permite el manejo de los excedentes de agua, para proteger zonasaguas abajo de la cortina.

VISTA EN PLANTA DE LA PRESA NEZAHUALCOYOTL

1.-CORTINA5.- TÚNELES DE DESVÍO EN LAMARGEN DERECHA

2.-VERTEDORES DESERVICIO 6.- OBRA DE TOMA DE LA CENTRAL

3.-VERTEDOR DEEMERGENCIA

7.- CASA DE MÁQUINAS

4.-TUNELES DE DESVIOEN LA MARGENIZQUIERDA

8.-TÚNELES DE DESFOGUE



349

TIPOS DE CORTINAS

Existen varias clasificaciones para las cortinas de las presas: de acuerdo a su altura, asus funciones u otras características; sin embargo la clasificación más usada es deacuerdo a sus materiales de construcción y a su estructura, que es la que se cita a

continuación:

TIPOS DE CORTINAS

RELLENO HIDRÁULICO

TIERRA

SECCIÓN HOMOGENEACOMPACTADA

MATERIALES SUELTOS (TIERRA Y ROCA)ESTRUCTURAS DEFORMABLES

MATERIALESGRADUADOS

NUCLEO DE TIERRA(impermeable)

ENROCAMIENTO

PANTALLA DE CONCRETO

MASIVA

GRAVEDAD

ALIGERADA

MACHONES

MATERIALES CEMENTADOS (CONCRETO YMAMPOSTERIA) ESTRUCTURA RÍGIDA

CONTRAFUERTES LOSAS PLANAS

ARCOS Ó BOVEDASMULTIPLES

ARCO Y ARCOBÓVEDA

ARCO GRAVEDAD

CONCRETO

RODILLADO



350

PARTES PRINCIPALES DE LAS PRESAS (HIDROELÉCTRICAS)

CORTINA

PARTES VASO

OBRAS AUXILIARES

CAMINOS DE ACESO

VERTEDORES

CASA DE MÁQUINAS

OBRAS AUXILIARES OBRA DE TOMA

TÚNELES DE DESVÍO

TÚNELES DE PRESIÓN

TÚNELES O CANALES DE DESFOGUE

ZONA DE TRANSFORMADORES

PROBLEMAS TÉCNICOS

FILTRACIONES

VASO INESTABILIDAD

AZOLVE

PERMEABILIDAD O FILTRACIONES

CORTINA ESTABILIDAD

SISMICIDAD

ASENTAMIENTOS



351

CORTINAS DE MATERIALES SUELTOS

Están construidas por terraplenes de tierra y/o roca con un núcleo impermeable paracontrolar las filtraciones. Este usualmente consiste de material arcilloso o si no es posibleencontrar cantidades suficientes en las cercanías, se usan entonces pantallas de concreto

o concreto asfáltico colocadas sobre el paramento de aguas arriba (Bell, 1980).Este tipo de presas imponen menores niveles de esfuerzo sobre las cimentaciones quelas presas de materiales cementados. Por lo tanto, es más fácil que absorban lasdeformaciones que puedan producirse por asentamientos producto de actividad sísmica, opor el peso de la estructura misma.

Como consecuencia este tipo de cortinas han sido construidas preferentemente enMéxico.

A continuación se describen los tipos más comunes de cortinas de materiales sueltos.

a) Cortinas de tierra.- Están constituidas por limos arenosos, arcillas o lutita compactadacon una protección contra el oleaje aguas arriba (ver Fig. 9.2). Se pueden construir envalles anchos o angostos. Pueden construirse sobre materiales o formaciones deresistencia variable, desde competentes (granito, caliza) hasta incompetentes (gravas,arenas, loess).Resisten disturbios sísmicos moderados y son razonablemente económicas(Le Roy, 1977).

b) Cortinas de materiales graduados.- Este tipo de presas consta de un núcleo centralimpermeable y de zonas de permeabilidad creciente del centro hacia los taludes (Fig. 9.3).

Diseños para estas estructuras y la selección estará controlada por los cuatro parámetrosanteriormente nombrados. Pueden construirse en casi cualquier roca de cimentación.

c) Cortinas de enrocamiento.- Como su nombre lo indica el material del cuerpo de lapresa es rocoso (agrupado en este término material granular grueso, desde gravas yarenas hasta rocas grandes. Fig 9.4).

Para evitar filtraciones existen varias alternativas: colocar losas de concreto en elparámetro aguas arriba, poner un núcleo de material impermeable o construir un muro deconcreto o mampostería en el centro de la sección. Las rocas de cimentación deben serestables y soportar el peso de la estructura, debe dársele atención especial a todos losparámetros que contribuyen al deslizamiento y la subsidencia.



352

NAME

ENROCAMIENTO

PRESIÓN

HIDROSTÁTICA

SUBPRESIÓN

FILTROS

MATERIALIMPERMEABLE

Fig. 9.2 Cortinas de tierra

21

3

Eje de la cortina

4

5 6

7

8

9

1011

12

13

1415

16

17

18

SECCIÓN TÍPICA DE UNA CORTINA DE MATERIALES GRADUADOS

NOMENCLATURA

1.-CRESTA O CORONA 10.-TALUD AGUAS ARRIBA2.-REVESTIMIENTO DE LA CORONA 11.-TALUD AGUAS ABAJO

3.-FILTROS 12.-PANTALLA DE INYECCIONES

4.-CORAZÓN O NÚCLEO IMPERMEABLE 13.-GALERÍA DE DRENAJES

5.-TRINCHERA 14.-DRENES6.-TRANSICIONES 15.-POZOS DE ALIVIO

7.-ENROCAMIENTOS 16.-EMBALSE O VASO

8.-DEPÓSITO ALUVIAL 17.-BORDO LIBRE

9.-ROCA BASAL 18.-ALTURA DE CORTINA

Fig. 9.3 Cortinas de materiales graduados.



353

NAME

Presa de enrocamiento con corazónvertical

Enrocamiento

Fig. 9.4 Cortinas de enrocamiento



354

H

Presiones actuantes en una presa de gravedad

U1

Presión Hidrostática Centro de gravedad

w

h1

h2

kw

xg

U2 Almacenamientolleno

Subpresión

Subpresión

Almacenamientovacio

Fuerzas motores=U1+kw

g

=friccisn entre concreto y otro

kw=coeficiente sÍsmico

wh1

wH

Fuerzas resistentes=(w-U2)tan-wtan +U2tan +U1+kw=0

Galería deinspección ydrenaje

Línea de drenes

Pantalla de inyecciones

Talud aguas abajo

Elevación de la coronaCorona

Parámetroaguas arriba

NAMOPlanta

NAMO:Nivel Aguas Máximo Ordinario

Fig. 9.5 Cortinas de gravedad



355

CORTINA DE MATERIALES CEMENTADOS(MAMPOSTERÍA O CONCRETO)

Son estructuras no deformables, de altura y peso variables, costosas; que requieren decimentaciones sólidas, debiendo ser diseñadas para resistir actividad sísmica. Se

construyen simplemente de concreto o de concreto armado. Este tipo de presas como semenciono en párrafos anteriores no resisten asentamientos diferenciales y requierencomo todas las obras civiles de estudios muy detallados del sitio donde se construirán.Las más comunes son:

d) Cortinas de Gravedad.- Son aquellas que resisten el empuje del agua por su propiopeso y que por el efecto únicamente de su peso, no pueden ni deslizarse ni volcarse, (Fig.9.5).

El perfil que satisface estas condiciones tiene, por razones de simplicidad,aproximadamente la forma triangular con la excepción de la parte correspondiente a lacorona. El paramento hacia aguas arriba es vertical con una ligera pendiente en la baja deun 50% y el paramento hacia aguas abajo de un 80%.

Teniendo en cuenta que en estas presas, por el efecto del empuje del agua hay unatendencia al deslizamiento, como medida de seguridad se trata siempre de conservar unacierta rugosidad en la superficie de cimentación.

En estas cortinas que son desplantadas o cimentadas sobre una plantilla general, uno delos principales fenómenos que hay que vigilar, es el efecto de subpresión. En efecto elagua del embalse puede penetrar a través de las fisuras y poros del terreno, de la mismacortina y producir en el cuerpo de la estructura una presión ascendente que esproporcional a la altura del agua almacenada en el vaso. A mayor almacenamiento, mayorefecto de subpresión.

Para evitar el efecto de la subpresión, se coloca, atrás del paramento de aguas arriba unaserie de drenes verticales que se prolongan en el terreno de cimentación. Estos drenesson empleados por galerías de visita que sirven a la vez para evacuar las aguasdrenadas.

Para aumentar la longitud de recorrido de los flujos de agua, que eventualmente pasanpor debajo de la cortina, se construye al pie del paramento aguas arriba, una trincheraconocida como dentellón en la que se cuela un muro de concreto que forma parte integralde la cortina, empotrando la estructura misma en las capas mas profundas del terreno. Eldentellón puede ser prolongado ventajosamente en el terreno por medio de una pantallade inyección, que además de asegurar una buena liga o un buen contacto concreto roca,vendrá a impermeabilizar el terreno.

Las presas de gravedad se construyen exclusivamente de concreto por módulosindependientes, separados por juntas separadas unas de otras, más o menos 15 mts.La función principal de estas juntas es abrirse a medida que fragua el macizo.El vertedor en estas cortinas a veces se localiza o se construye sobre la estructura con unperfil como en la figura 9.5.



356

e) Cortinas de Arco.- Las cortinas de arco que pueden ser imaginadas por una placagruesa combada o arqueada, encajada o empotrada sobre tres lados (Fig. 9.6), son lasque soportan la mayor parte del empuje del agua, sobre los apoyos laterales, llamadostambién estribos, por efecto del arco (Fig. 9.7).

El terreno de cimentación está sometido a esfuerzos oblicuos inclinados hacia aguasabajo, resultado de la acción combinada del peso de la estructura y del empuje del agua.

Las reacciones de los apoyos aumentan en razón directa del empuje del agua, que amedida que ésta ultima aumenta, fija más fuertemente la obra contra el terreno.

Este tipo de cortinas, (Fig. 9.6) son de perfil muy delgadas comparadas con su altura ypueden considerarse como una serie de porciones de anillos horizontales superpuestosde espesor creciente de arriba hacia abajo, empotrados en sus nacimientos. El parámetrohacia aguas arriba es vertical y a veces ligeramente cóncavo.

Desde el punto de vista del cálculo, en estas cortinas construidas por bloques separados,cada porción de anillo, sujeto al efecto del empuje del agua y de la temperatura, escalculado como un arco despreciando deliberadamente la acción de la gravedad.

Esta acción es bastante importante cuando se trata una cortina arco-gravedad, cuyo pesopuede ser del mismo orden que el empuje del agua.

El vertedor en este tipo de presas, si se construye sobre la obra se localiza sobre uno delos estribos. A veces toda la presa se constituye en vertedor y se le llama arco vertedora yson cortinas que no tienen más de 60 mts de altura.

Fig. 9.6 Cortinas de arco



357

Cortina ubicada en el río colorado

Centro de gravedad

AlmacenamientollenoAlmacenamiento

vacio

Presiónhidrostática

Presiónhidrostática

centro degravedad

Algunas presas de arco en sección, mostrandose las presiones actuantes en

dos de ellas.

(Wahlstrom, 1974).

Almacenamientovacio

Almacenamiento lleno.

Fig. 9.7 Fuerzas actuantes en una cortina de arco



358

Earth dam

rip rap

earthfill

cross section plan

Earth-cored rockfill dam

Concrete gravity dam

Buttress dam

Cylindrical arch dam

Double curvature arch dam

Tipos básicos de diseño de cortinas



359

f) Cortinas Arco-gravedad.- En una cortina de gravedad una forma arqueada aumentaen proporciones considerables la estabilidad. Las cortinas de arco que toman a la vez elpeso de la estructura y el arco, se constituyen en cortinas arco-gravedad (Fig. 9.8).En las cortinas arco-gravedad se alcanza una economía de material de 30% a 40% sobrelas cortinas de gravedad, siendo particularmente apropiadas en el caso de boquillas

relativamente amplias.g) Cortinas de Gravedad Aligeradas.- Una cortina de este tipo es aquella en la cual seha disminuido el peso, sin comprometer la estabilidad. Esta disminución es efectuadaquitando o eliminando concreto hasta el terreno de cimentación en la vecindad delparamento de aguas arriba. Los vacíos formados por la eliminación de material, cuyaforma es variable, pueden alcanzar hasta un cuarto del volumen total.

La disminución de la subpresión resultante del drenaje producido por las zonas vaciadas,así como la reducción de la superficie sujeta a su acción, compensa la pérdida de peso.

h) Cortinas de Contrafuertes y Arcos Múltiples.- Es una cortina constituida por unapantalla o losa impermeable, inclinada aguas arriba, sostenida por contrafuertesperpendiculares a la losa misma que viene a constituir el órgano de soporte.El peso del agua ejercido sobre la losa inclinada e impermeable reemplaza el peso quefalta en la cortina (Fig. 9.9).

La losa esta constituida por una serie de dalas planas de concreto armado, provista de juntas de dilatación y prolongadas en el terreno por el muro del dentellón.

Construcción de la cortina



360

NAME

Sección máxima de la cortina

Fig. 9.8 presas de arco gravedad



361

En algunas cortinas la losa impermeable está formada por un engrosamiento de loscontrafuertes hacia aguas arriba como es el caso de la cortina de la presa "Don Martín",sobre el río Salado. Se les llama en este caso contrafuertes de cabeza redonda.

Los contrafuertes son cuerpos sólidos o vacíos, de concreto armado o no y a menudo

ligados unos a otros por tirantes para evitar el flambeo, en una forma simplista y deacuerdo a Krynine (1957, Pág. 630) se puede decir que son muros estrechos muycargados, que ejercen tremendas presiones sobre el terreno de cimentación.

Las cortinas de arcos múltiples son aquellas cuyo parámetro hacia aguas arriba,permeable, está constituido por un conjunto de arcos de concreto armado apoyados enlos contrafuertes, en forma de tubos de órgano. (A veces el arco es de acero).

El tipo de cortina como ya se menciono en párrafos anteriores, se selecciona de acuerdocon los siguientes factores:

Topografía

Geología

Disponibilidad de mano de obra

Aspectos económicos.

CORTINAS DE GRAVEDAD

En principio, la construcción de una cortina de gravedad exige, en el área de cimentación,de un terreno particularmente e incompresible, ya que este tipo de cortina es muy sensiblea las subpresiones y no es capaz de aceptar asentamientos diferenciables. En casocontrario se corre el riesgo de falla.

CORTINAS DE ARCO

La construcción de una cortina de arco requiere de un sitio donde las rocas de los apoyoso estribos, presenten buenas condiciones de estabilidad. Si hay el temor deinnestabi1idad de los apoyos o riesgo de derrumbes debidos al echado de las capas, a laerosión o a la acción de agentes atmosféricos, hay que tratar de descartar todo proyectode construcción.

CORTINAS DE CONTRAFUERTES Y ARCOS MÚLTIPLES

En estas cortinas, la condición esencial es que el terreno de cimentación sea debuena calidad. En estas presas no hay el temor de efectos de subpresión, ya que noexiste una plantilla general de cimentación o por lo menos hay que evitarla. En los sitiosdonde hay riesgo de derrumbes en las laderas, la construcción de una cortina decontrafuertes debe ser estudiada muy cuidadosamente con la idea de verificar y asegurarla inestabilidad.



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Puesto que en estas cortinas no son vulnerables a una sobre elevación accidental delnivel de agua, se les construye de preferencia sobre los ríos donde las crecientes oavenidas son peligrosas o mal conocidas; por otra parte, puesto que estasestructuras soportan grandes variaciones de temperatura (tratándose de concreto bienclasificado), no hay nada que temer en regiones de climas rigurosos.

En general, las presas de concreto o mampostería deben de ser construidas sobre rocafirme, de buena calidad, por lo menos aquellas partes que soportan el empuje del agua yel peso de la estructura.

En aquellos sitios donde el espesor de los aluviones es muy grande y que la roca sana seencuentra a gran profundidad, le solución a adoptar es la de una cortina de enrocamientoo de tierra.

CORTINAS DE ENROCAMIENTO

Para una cortina de este tipo se debe escoger un sitio en donde las condicionesesenciales sean el no estar sujeta ni a asentamientos diferenciales ni a la erosión quepuedan provocar infiltraciones pasando bajo la cortina.

Si se trata de un terreno defectuoso en la zona de cimentación hay que investigar contoda minuciosidad la zona di cimentación, desde el punto de vista de su resistenciay la permeabilidad incluidos el talweg y las laderas del cañón. Si se construye una cortinasobre un suelo de comportamiento dudoso, este obligado a hacer una cubierta o pantalladeformable y un muro de dentellón también deformable.

CORTINA DE TIERRA

Las cortinas de tierra son aquellas que más convienen sobre un terreno de cimentación norocoso a condición de verificar si resistencia y asegurarse que no contenga materiaorgánica ni arcillas expansivas o muy plásticas que corran el riesgo de ser expulsadas porel peso del dique o por la presión de las aguas del embalse, además el sitio decimentación también debe de ser cuidadosamente estudiado y explorado de tal suerte quesea posible diseñar una cortina que se adapte a las condiciones del terreno encontrado.

EL VERTEDOR

En lo que respecta al vertedor, la opinión del geólogo es de una importancia capital,cuando se trata de un vertedor cavado o excavado sobre la ladera sea por pozosverticales o inclinados, por si en este caso dicha obra viene a construirse en un canal o enun túnel cuyo estudio de las paredes es necesario realizar para conocer sucomportamiento y hacer la elección del revestimiento adecuado a la calidad de la roca.

Para los vertedores colocados sobre la cortina, la parte que corresponde estudiar algeólogo es aquella que se supone tendrá acción del flujo de agua, para determinar sI laroca presentará problemas de erosión remontante. Los sitios fáciles a la acción erosivadel agua son aquellos que presentan juntas, fallas, planos de estratificación, etc. Donde



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cae el chorro de agua deben de ser cuidadosamente estudiados y programar suprotección por medio de recubrimientos adecuados.

La obra de toma y la obra de vaciado de fondo, si son excavados en roca, exigen comoen el caso del vertedor, la investigación geológica del terreno atravesado. A veces el

o los túneles de desvío se utilizan como obra de desfogue de fondo.

Vertedores

ASPECTOS ECONÓMICOS

Dentro de los aspectos más importantes a considerar se encuentran:

1.- La localización de los materiales de construcción para la cortina, poniendo énfasisen las distancias de acarreo, costos de obtención, calidad, volumen, etc.

2.- La disponibilidad de mano de obra.

3.- Aspectos legales sobre la compra del sitio donde se localizará la obra.



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PROBLEMAS GEOLÓGICOS

Los problemas geotécnicos que se encuentran más frecuentemente en los sitios deconstrucción de presas, son relativos a: fenómenos de Geodinámica, filtraciones,resistencia de la roca o suelo, azolves, etc.

Se enumeran estos problemas antes de hablar de la exploración del sitio, para quecuando ésta se realice, se preste cuidado especial a su detección.

Fenómenos de Geodinámica ExternaDeslizamiento y Reptación

El profesor Kart Terzaghi en su magnífico trabajo titulado "Mecanismo de losdeslizamientos", presentado en Noviembre de 1950 en la Sociedad Geológica de Américaen el volumen Berkey, hace una distinción clara entre un deslizamiento normal y unfenómeno de reptación.

El término deslizamiento dice él "se refiere al desplazamiento rápido de una masade roca, suelo residual o sedimentos contiguos a un talud, en la cual el centro degravedad de la masa en movimiento avanza en una dirección hacia abajo y hacia afuera.Un movimiento similar que se presenta a una velocidad imperceptible es llamadoreptación.

La velocidad de las masas involucradas en un deslizamiento típico se incrementamás o menos rápidamente de casi cero a por lo menos 1 pie X hora y luego disminuye aun valor más pequeño. Por el contrario un fenómeno de reptación típico es unmovimiento continuo que tiene lugar a una velocidad media de 1 pie por década.Velocidades más altas en un fenómeno de reptación son más bien raras.

Se deberán tratar de reconocer, prevenir o minimizar las posibles zonas de deslizamientoo reptación que puedan poner en peligro la cortina o sus obras auxiliares.

Para ello deberán hacerse exploraciones geológicas muy detalladas, complementadascon datos de perforaciones, pozos, trincheras, socavones métodos geofísicos y pruebasde laboratorio para elaborar finalmente un plano geotécnico, en el cual se definan laszonas inestables así como el volumen de material afectado por el fenómeno.

Este tipo de investigación deberá hacerse en la etapa de exploración detallada del sitio deconstrucción.

Los deslizamientos en las rocas competentes y no competentes se presentanpredominantemente a lo largo de ciertas discontinuidades como son: orientación,rugosidad, relación con la estructura geológica presente, grado de saturación del agua,características de fricción, etc.

Las principales discontinuidades, donde puede existir movimiento en masa del terrenoson:



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a) Estratificación y foleación e) Límites entre rocas saturadasb) Fracturas y no saturadasc) Fallas f) La base de rocas intemperizadasd) Discordancias

a) Estratificación y Foleación: Los deslizamientos ocurren comúnmente cuandoexisten rocas de distinta naturaleza, por ejemplo en las zonas de contacto entre arenisca-lutita, gneiss-esquito, caliza-lutita o suelo-roca. etc. Cuando la estratificación tiene unrumbo perpendicular al curso del río, con un echado hacia aguas arriba se considera quees una posición favorable en cuanto a su estabilidad e impermeabilidad.

Por el contrarío con el mismo rumbo si el echado es hacia aguas abajo o vertical, setendrá problemas de estabilización, además de favorecer filtraciones de agua. Losestratos horizontales de una misma litología constituyen la posición más estable.

Un caso muy desfavorable tanto en lo relativo a permeabilidad como sobre todo aestabilidad es aquel en el cual las capas tienen un rumbo paralelo al curso del río,verticales o con echado hacia algunas de las márgenes, es decir aquel caso en el cual lapendiente de la ladera es coincidente con la intensidad del echado de las capas o planosde fractura.

En rocas metamórficas, los planos de foleación junto con las fracturas pueden definirbloques de roca, cuya movilidad dependerá del contenido de agua, permeabilidad,grado y tipo de alteración de las rocas, etc.

b) Fracturas: Bajo la acción de la gravedad, los sistemas de fracturamiento, sobre todoen presencia de agua, contribuyen a deslizar las masas de roca. Por esta razón estossistemas deben ser mapeados con mucho detalle.

Es importante indicar además cuál es la abertura de las fracturas, así como si estánrellenas o no (aclarando que tipo de material las rellena). Para la interpretación de suinfluencia dentro de la obra se recomienda hacer uso de la red estereográfica, sobre todocuando se cuenta con una gran cantidad de información.

c) Fallas: Aparecen con menor frecuencia que las fracturas, pero son de granimportancia, por lo que se recomienda estudiar su geometría, su relación con los tiposde roca involucrados, presencia de pliegos, edad, actividad y resistencia al corte. Asímismo es muy importante el conocimiento de su origen y su evaluación tridimensional.

d) Discordancias: No son comunes, pero si tales superficies presentan un echadofuerte, son lisas, saturadas y la roca alterada, el movimiento es posible.

e) Límites Saturados/No Saturados: Probablemente uno de los factores másimportantes que origina deslizamientos es el cambio en el contenido de agua. Algunos desus efectos son, de acuerdo con Krynine, 1957: 1) Lubricación de las superficies ydisminución del coeficiente de fricción en seco. 2) Actúa como agente erosivo y solventeentre superficies de contacto. 3) Cuando existe un aumento de la presión de la columna



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de agua (estando en terreno saturado), la presión creciente tiende a elevar los estratos dela roca y a la misma cortina, lo cual, hace disminuir la resistencia al corte de la roca.

f) Base de Rocas Alteradas: Las rocas que tienen alto contenido de feldespatos yferromagnesianos son muy alterables, ocasionando la formación de arcilla que sirve

como lubricante.ALGUNAS CAUSAS DE LOS DESLIZAMIENTOS:

Muchos factores contribuyen, al movimiento en masa del terreno, actuandoindependientemente o combinados. Los más responsables son la gravedad, peso ysu distribución, carga y descarga, variación e intensidad de la presión de poro, fuerzasde expansión y contracción, remoción de soportes, cambios de pendiente, alteración,saturación de agua, voladuras, sismos, actividad volcánica y disminución de laresistencia con el tiempo. (En el capítulo 11.2 se analizan con mayor detenimiento lascausas de los le deslizamientos.)

MEDIDAS PARA PREVENIR LOS DESLIZAMIENTOS:

Estas medidas varían muy ampliamente, sin embargo, entre las más comunes se tiene:Relleno. Reducción del Ángulo del Talud. Disminución del Peso, Anclado de la Roca.Colocación de Pilas, el uso de Concreto Lanzado. Instalación de Drenaje dentro delmacizo rocoso, etc.

FILTRACIONES

El estudio de la permeabilidad del terreno, para determinar la posibilidad de filtracionesde agua es muy importante, tanto en el sitio de la cortina como en las obras auxiliares yen el embalse; en la cortina el agua puede escaparse por los lados y por debajo de lamisma pudiendo dar lugar a graves problemas como:

Tubificaciones, subpresiones o activación de fallas; en el envase se pueden presentargrandes pérdidas de agua si hay formaciones erosionables, es posible que seproduzcan fallas en el terreno.

Se debe considerar la presencia de algunos factores como son:

-La presencia de cavernas, canales, fallas y fracturas interconectadas, observando sufrecuencia, grado de abertura y tipo de relleno.

-La presencia de causes sepultados que pueden originar una vía de filtración para elagua, dependiendo de su posición con respecto a la obra y el embalse.

-El fracturamiento de tipo tectónico, produce filtraciones moderadas, sin embargo esnecesario conocer cual es la dirección del agua que se infiltra.

La solubilidad de la roca, que puede producir grandes cavernas, principalmente encalizas, hilita, yesos o rocas poco cementadas como los loess.



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Las rocas no solubles como las ígneas cristalinas, algunas areniscas, las metamórficasmasivas, etc., casi no presentan problemas de filtración a menos que se encuentre muyfracturada o fallada.

Cuando existen este tipo de problemas deberán de hacerse estudios de permeabilidad delárea en cuestión, pues como se mencionó este fenómeno es consecuencia delfracturamiento, disolución o permeabilidad intrínseca de las rocas presentes en el sitiode construcción. Para ello se realizan las pruebas de permeabilidad Lugeon y Lefranc;en la práctica los valores menores a 1 Lugeon se consideran impermeables. Tambiénes recomendable la realización de estudios Hidrogeológicos de la región, para definir lascaracterísticas de los acuíferos, así como la dirección del flujo del agua subterránea.

A continuación se comentan algunas características y particularidades de las rocas ysu influencia en el establecimiento de una presa (prestando atención especial alproblema de filtraciones):

Lutitas y Margas.- Las lutitas, arcillas endurecidas y transformadas, aunque menoscompresibles que las arcillas, tienen características semejantes. Son éstas, rocas quepueden alterarse e inflarse al contacto del agua, sin embargo, si no están alteradas tienenuna resistencia al esfuerzo cortante y a la compresión más grande que la arcilla, pues sonmás duras y compactas a causa de su menor contenido de agua.

Algunas lutitas que parecen excelentes en el curso de realización de una perforación en elmomento de ponerlas en contacto con el agua se pulverizan instantáneamente. Esta ca-racterística es notable sobre todo en las lutitas bentoníticas.

Para determinar su comportamiento, es necesario hacer pruebas de laboratorio tantosobre su comprensibilidad y resistencia al esfuerzo constante, como su alterabilidad.Las Margas, lutitas ricas en carbonato de calcio, son rocas de una calidad superior a la delas lutitas, no obstante algunas veces son muy alterables, compresibles y susceptibles dehincharse a pesar de su masa compacta y de su dureza.

LAS CALIZAS.- En las calizas densas no fracturadas puede fácilmente construirse unapresa con éxito ya que la gran mayoría de ellas tienen una resistencia tan grande como elconcreto. Son estas rocas ciertamente, dicen Gignoux y Barbier, en las cuales el volumende excavación es reducido al mínimo (por supuesto después de haber limpiado el materialde derrumbes que puede ser muy grueso. Desgraciadamente se les encuentra con muchafrecuencia interestratificadas con otro tipo de rocas o carsíficadas.

Desde el punto de vista de la estabilidad, pueden considerarse satisfactorias si no sondefectuosas, (afalladas, fracturadas, etc.) y no están interestratificadas con rocascompresibles, si las condiciones estructurales son favorables.

Cuando se hable de un terreno calcáreo hay que pensar enrocas que presentan fracturaso diaclasas producidas por acción tectónica, deformadas, afalladas, en fin con todas lascaracterísticas que presente una roca sujeta a esta acción. Además si tales terrenos seencuentran en una región húmeda, la acción erosiva de las aguas subterráneas y su



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poder disolvente pudo haber producido un agrandamiento de las facturas, planos deestratificación y diaclasas, formar cavernas y dar lugar a un terreno con topografía del tipode Karst. En las calizas, simples fracturas superficiales pueden esconder enormescavidades en el subsuelo. La presencia de calizas y de dolomitas cavernosas es laprincipal cosa que hay que tener, a causa de las infiltraciones, en el perímetro que debe

ser inundado por las aguas del vaso. A este respecto el estudio geológico del área del vaso y de los valles vecinos debe ser lomás preciso posible, ya que es necesario determinar el aspecto tectónico de las rocas afin de reconocer si existe posibilidad de escurrimiento subterráneos de las aguas del vasoo hacia aguas abajo de la cortina proyectada o hacia un valle vecino si es que seencuentra a una elevación menor.

En estos casos uno de los factores más importantes es determinar la situación yprofundidad de la primera capa impermeable abajo de las rocas fisuradas, lo que permitirádetener o no las infiltraciones fuera del vaso.

Cuando los terrenos calcáreos tienen un drenaje superficial muy pobre desprovistos o node vegetación y en una región húmeda lo mas probable es que haya circulación de aguassubterráneas, sobre todo si hay manifestaciones superficiales Sin embargo los testigosmás significativos y más espectaculares de estas circulaciones, dicen también Gignoux yBarbier, son naturalmente las fuentes y resurgerencias que salen de esos macizos. Siciertas de estas fuentes, continúan diciendo están situadas a cotas inferiores a las delvaso,.sea en el valle principal aguas abajo de la presa, sean en los valles vecinos, habráno una certeza absoluta, pero si un gran riesgo de perdida; evidentemente llenar la presatotalmente de agua no traerá ningún riesgo de disolver las calizas y de crear nuevas redesde circulación, pero si se pueden poner actividad redes preexistentes a veces totalmentesecas y parcialmente selladas con material arcilloso proveniente del exterior.

Yesos y anhidrita.- Los yesos particularmente las anhidritas a causa de su tendencia atransformarse en yeso son rocas temibles por decirlo así en el sitio de construcción deuna presa, tanto en lo que respecta a su permeabilidad como a su estabilidad. En estasrocas igualmente que en las calizas se forman enormes fracturas agrandadas porDisolución y enormes cavernas que vuelven imposible la construcción de una presa dealmacenamiento por el costo elevado de impermeabilización. Por otra parte no hay queolvidar que las aguas en contacto con rocas sulfatadas (como es este el caso), aguasselenotosas ejercen una acción muy agresiva sobre los cementos ordinarios del tipoPortland.

Las Areniscas.- Independientemente de las características estructurales que presente uncuerpo de areniscas su resistencia mecánica en la construcción de una presa dependetanto de la homogeneidad y naturaleza de los granos, como del material cementante y delgrado de cementación.

Teniendo en cuenta que el cuarzo es un mineral indeformable y que solo presiones muyelevadas pueden triturarlo, las rocas formadas de este material como es el caso de lamayor parte de areniscas, ofrecen las mejores condiciones de estabilidad. Por otra partesu misma naturaleza granular les da un ángulo de fricción interna muy elevado.



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Sin embargo, en aquellas areniscas donde el cementante, abundante, está constituí do dearcilla o carbonato de calcio, materiales deformables, puede producirse undesplazamiento de los granos bajo la acción de fuertes presiones. Igualmente en lasareniscas interestratificadas con lutitas, la superficie de contacto es una zona potencial dedeslizamiento si hay circulación de agua en el cuerpo de la roca; en el contacto con la

lutita el agua produce en efecto, una acción lubricante como consecuencia delreblandecimiento de la arcilla. Una arenisca en estas condiciones, sujeta a la acción deuna carga puede presentar como las lutitas, problemas de deslizamiento o deasentamiento.

En general las areniscas son rocas favorables en el sitio de cimentación de la cortina deuna presa, salvo si están fracturadas o interestratificadas con materiales arcillosos.Discutiremos ahora algunas de las características de las rocas ígneas, empezando por lasrocas intrusivas.

Rocas Ígneas Intrusivas.- Aunque el granito y en general las rocas cristalinas seanideales desde el punto de su impermeabilidad, no pasa lo mismo con estas rocas en elárea de cementación de la cortina. Su gran facilidad para descomponerse y alterarse bajociertas condiciones, como consecuencia de su desarrollo cristalino, presentan a menudoen la construcción graves problemas debidos a la gran profundidad de la zona alterada.

Las rocas cristalinas son atacadas por los agentes atmosféricos tanto mecánicos comoquímicos. Ahora bien, la profundidad y la extensión de estos agentes dependen de variosfactores, entre los cuales los más importantes son: espaciamiento entre fracturas odiaclasas, grado de microfracturación de los minerales constituyentes e historiafisiográfica avanzada.

En un área de fisiografía avanzada, la descomposición es más importante si laspendientes en general son más suaves.

La acción destructiva de los agentes atmosféricos comienza por una alteración producidaa lo largo de las fracturas y diaclasas, en las rocas masivas y se continúan con ladestrucción progresiva de los elementos cristalinos, los feldespatos y sobre todo lasmicas.

En las rocas cristalinas, las zonas que pueden afectar, desfavorablemente el sitio de unapresa, fuera de las zonas alteradas, son las zonas de falla fuertemente trituradas y laszonas fracturadas.



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NAMO

SECCIÓNElevación de la corona

Talud aguas abajo

Pantalla deinyecciones

Corona

B B'

PLANTA

CORTE B-B'

cabeza contrafuerte

Fig. 9.9 Cortinas de contrafuertes

Rocas Volcánicas.- Los problemas presentados por estas rocas (basalto, riolita, andesita,etc.) resultan de la presencia de rocas de diferente naturaleza intercaladas entre lascorrientes de lava, problemas sobre todo notable en los basaltos, donde es agravado porel gran número de fracturas de enfriamiento y por las zonas de contacto escoriáceos.

La construcción de presas en terrenos basalticos exige primeramente la determinación del

nivel de aguas freáticas con respecto al curso de agua y al nivel máximo de futuroalmacenamiento, así como el estudio de las condiciones estructurales y topográficas quecontrolen el escurrimiento de los mantos acuíferos.

En aquellos sitios donde el río escurre a un nivel superior al nivel de aguas freáticas habráriesgo de pérdidas muy importante, por consiguiente hay que descartar todo proyecto deconstrucción. Por el contrario si el nivel de aguas freáticas se encuentra a un nivelsuperior a aquel del futuro almacenamiento, hay la posibilidad de que el vaso seimpermeable.



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Las rocas piroclásticas, dependiendo del grado de consola dación presentan por sunaturaleza problemas semejantes a los de las arenas, arcillas y lutitas.

Rocas Metamórficas.- Las rocas metamórficas son aquellas rocas preexistentes que hansufrido transformaciones bajo la acción de efectos térmicos, dinámicos o químicos.

Rocas metamórficas de origen sedimentario si tectónicamente no han sido muy alteradas,ofrecen condiciones satisfactorias para efectuar una cimentación. Los esquistos cristalinosque tienen un gran número de fisuras y una foliación muy delgada, si no son micáceospueden también considerarse como buenos en el sitio de construcción. Los esquistosmicáceos tienen la desventaja de alterarse fácilmente al contacto del aire y del agua.

En los esquistos la dirección de la esquistosidad es bastante importante, en caso menosfavorable para efectuar una construcción sobre ellos, es la de la equistosidad que tieneuna dirección normal al eje de la estructura pues existe posibilidad de deslizamiento a lolargo de los planos de esquistosidad; por el contrario los esquistos con una foliaciónparalela al eje de la estructura presentaran buenas condiciones de estabilidad.

Asentamientos.

Las cortinas ejercerán una presión sobre los materiales en que fueron construidas (suelosy/o rocas), debido a su pro pió peso y a otras fuerzas que actúan sobre ellos.Para el casode cortinas de materiales homogéneos los asentamientos no son importantes, pero en lasde concreto deberán hacerse cuidadosas investigaciones en el área de la cortina.

El problema es simple si la roca de cimentación es firme y fuerte (granito, cuarcita, calizamasiva); pero si las rocas son débiles, especialmente de carácter arcilloso (lutitas,esquistos de mica, filitas, limos, arcillas), el problema de de formación bajo cargaspesadas puede ser crítico. En el caso de areniscas poco cementadas o si el cementantees arcilloso estas tendrán poca resistencia a la compresión.

Cuando la cortina se cimenta sobre tipos de roca con módulos de elasticidad diferentes serepresentaran problemas porque se tendrán asentamientos diferentes o recuperacionesdiferentes.

Los asentamientos desiguales en las diversas zonas de lacortina pueden causaragrietamientos de gran importancia.

Para casos problemáticos se debe recurrir a un riguroso estudio de mecánica de rocas ode suelos.

BANCOS DE MATERIAL

La construcción de presas requiere de grandes cantidades de materiales; arena y gravacomo agregados para concreto, arcillas para rellenos y corazones impermeables, piedrapara mampostería y recubrimiento, arena y grava para filtros; etc.



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Una de las funciones más importantes de los estudios geológicos, sobre todo en la etapade investigación preliminar, es la evaluación de los bancos de material. La localización,cantidad y calidad de los mismos pueden modificar la localización del sitio, o bien influir demanera directa en el tipo de presa por construir.

Los lugares en donde afloran rocas o donde existen suelos que podrían ser utilizados paralas diferentes partes de la obra, se conocen del estudio fotogeológico realizado durante elanteproyecto; ahora se trata de precisar el punto o puntos en el terreno en los que sedebe abrir el frente dé ataque. El estudio de los bancos propuestos se puede hacer, segúnel caso, con pozos a cielo abierto, con perforaciones de diamante o cor métodosgeofísicos.

Los objetivos son determinar las características del material, el volumen aprovechable ylos procedimientos de ataque más apropiados para cada lugar.

AZOLVAMIENTO

Un problema especialmente difícil en algunas zonas, es el tratamiento de azolves. Algunas presas propuestas no han sido construidas por conocerse que los azolves lasharían inútiles en poco tiempo.

Una forma de detener el material que es transportado por el río, es por medio detratamientos de control de erosión de suelos en la cuenca y realizando campañas dereforestación. Muchas presas se han azolvado totalmente y en la actualidad ya no operan,por lo que se han perdido grandes cantidades de dinero invertidas. Se están buscandoprocedimientos para desazolvar las presas y posiblemente en un futuro cercano se lleguea una solución económica que permita rescatar las obras.

Exploración de Presas.

Cuando se ha encontrado un sitio que reúne condiciones topográficas favorables, que enuna presa de almacenamiento están representadas por un estrechamiento que constituiráel embalse, el siguiente paso es el levantamiento geológico regional, para poder definir lafactibilidad técnica del proyecto de presa.

El ingeniero geólogo es quién planea; y organiza la investigación del sitio, así comoidentifica los problemas y riesgos geológicos para lo cual realiza diferentes etapas deinvestigación, ayudado de los métodos de exploración que se requieran en cada caso,programándolos en una secuencia correcta de utilización.

En la tabla se muestra un resumen de los métodos de exploración recomendables parainvestigar un sitio donde se quiere construir una presa.



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EXPLORACIÓN DE SITIOS PARA PRESAS

MÉTODOS DE EXPLORACIÓN

DIRECTOS INDIRECTOS

LEVANTAMIENTOGEOLOGICO

POZOS A CIELOABIERTO YTRINCHERAS

TUNELES YSOCABONES

PERFORACIONES FOTOGEOLOGIA METODOSGEOLOGICOS

METODOSGEOSISMIC

ETAPAS

DEINVESTIGACIÓN

SELECCIÓNDEL SITIO

EXPLORACIÓNDETALLADADEL SITIO DE

CONSTRUCCIÓN

CONSTRUCCIÓNDE LA OBRA

OPERACIÓN DELA OBRA

BANCOS DEMATERIALES

DESLIZAMIENTOS

CAUSAS:

- Gravedad.- Peso y su distribución.- Carga y descarga.

- variación e intensidad de la presión del poro.- Fuerzas de expansión y contracción.- Remoción de soportes.- Cambios de pendiente.- Alteración.- Saturación de agua.- voladuras.- Sismos.- Actividad volcánica.- Disminución de la resistencia con el tiempo.

MEDIDAS PARA PREVENIRLOS

- Relleno.- Reducción del ángulo del talud.- Disminución del peso.- Anclado de la roca.- Colocación de pilas.-Uso del concreto lanzado.- Instalación de drenaje dentro del macizo rocoso.- Etc.



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FILTRACIONES

PROBLEMAS QUE PROVOCAN;

-Tubificaciones.

-Subpresiones.-Activación de fallas.-Perdida de agua en el embalse.

FACTORES A CONSIDERAR

-La presencia de cavernas, canales, fallas y fracturas Ínterconectadas.-La presencia de causes sepultados.-El fracturamiento tectónico.-La solubilidad de la roca.-Las rocas no solubles como las Ígneas cristalinas, algunas areniscas, lasmetamórficas masivas, etc.

CARACTERÍSTICAS Y PARTICULARIDADES DE LAS ROCAS Y SU INFLUENCIA ENEL ESTABLECIMIENTO DE UNA PRESA

LUTITAS Y MARGAS;

-Pueden alterarse e inflarse al contacto con el agua.

-Si no están alteradas tienen una gran resistencia al esfuerzo cortante y a la compresión.

-Las lutitas bentoníticas se pulverizan instantáneamente al contacto con el agua.

-Las margas algunas veces son muy alterables, compresibles y susceptibles ahincharse.

LAS CALIZAS:

-Tienen una resistencia tan grande como el concreto.

-Se les encuentra con mucha frecuencia interestratificadas con otro tipo de rocas ocarsificadas.

-Son estables si no son defectuosas y no están interestratificadas con rocascompresibles.

-La acción tectónica produce fracturas, diaclasas, etc.

-Las aguas subterráneas agrandan fracturas, diaclasas, etc., formando cavernas.

-Las fracturas superficiales esconden enormes cavidades en el subsuelo.



375

-La presencia de calizas y dolomitas cavernosas es una de las cosas que hay que temeren una presa.

-En terreno con drenaje superficial muy pobre, en una región muy húmeda, es muyprobable la circulación de aguas subterráneas.

YESOS Y ANHIDRITAS:

-En estas rocas se forman enormes fracturas agrandadas por disolución.

-Elevado costo de impermeabilización.

-Las aguas en contacto con rocas sulfatadas producen una acción muy agresiva sobre elcemento.

LAS ARENISCAS;

-La resistencia mecánica depende de la homogeneidad y naturaleza de los granos y delcementante y grado de cementación.

-Las rocas formadas con material de cuarzo ofrecen la mejor estabilidad.

-Cuando el cementante es arcilla o carbonato de calcio puede haber desplazamiento delos granos bajo la acción de fuertes presiones.

-Cuando existe interestratificación de lutitas puede haber deslizamientos si hay circulaciónde agua.

ROCAS ÍGNEAS INTRUSIVAS;

-Son ideales como rocas impermeables.

-En la cimentación de la cortina no son recomendables por su facilidad de descomponersey alterarse.

ROCAS VOLCÁNICAS;

-La presencia de rocas intercaladas entre las corrientes de lava.

-Gran número de fracturas de enfriamiento y por las zonas de contacto escoráceas.

-Las rocas piroclásticas presentan problemas semejantes a las de las arenas arcillas ylutitas.



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ROCAS METAMÓRFICAS

-Las rocas de origen sedimentario si no han sido muy alteradas, son satisfactorias para lacimentación.

-Los esquistos si no son micáceos pueden considerarse buenos en el sitio de laconstrucción.

-Los micáceos se alteran fácilmente.

-La dirección de la esquistosidad es importante, el caso menos favorable para efectuar laconstrucción sobre ellos, es la de la esquistosidad que tiene una dirección normal al ejede la estructura pues existe posibilidad de deslizamiento.

ASENTAMIENTOS

Para el caso de cortinas de materiales homogéneos los asentamientos no sonimportantes, pero en las de concrete deberán hacerse cuidadosas investigaciones en el

Área de la cortina.

Granito, Cuarcita, Caliza masiva; Para el caso de la cimentación estas rocas son firmes yfuertes.

Lutitas, Esquistos de mica, Filitas, Limos, Arcillas; En estas rocas el problema dedeformación bajo cargas pesadas puede ser critico.

BANCOS DE MATERIAL

La localización, cantidad y calidad de los mismos pueden modificar la localización delsitio, o bien influir de manera directa en el tipo de presa por construir.

AZOLVAMIENTO

Una forma de detener el material que es transportado por el río, es por medio detratamientos de control de erosión de suelos en la cuenca y realizando campañas dereforestación.

EXPLORACIÓN DE PRESAS

Cuando se ha encontrado un sitio que reúne condiciones topográficas favorables, elsiguiente paso es el levantamiento geológico regional, para poder definir la factibilidadtécnica del proyecto de presa.

El ingeniero geólogo es quien planea y organiza la investigación del sitio, así comoidentifica los problemas y riesgos geológicos para lo cual realiza diferentes etapas deinvestigación.



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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CORTINAS DE CONCRETO Y MATERIALES GRADUADOS

Cortinas de concreto

A continuación se enuncian las ventajas y desventajas en la construcción de una cortinade concreto y de una de materiales graduados. Para ello se supone una boquilla de 60 mde altura y una longitud de corona de 185 m. (véase ilustración).Cortinas de concreto

Ventajas. Requieren menor volumen por colocar (95 500 m). El material es homogéneo.Los materiales para la fabricación de concreto son fáciles de almacenar. El vertedor sehalla en el cuerpo de la cortina. Las propiedades del concreto son controlables. Elconcreto resiste el desbordamiento.

Desventajas. La temperatura y el secado ocasionan cambios volumétricos. El proceso deconstrucción es semicontinuo. La estructura, por ser rígida, admite deformacionesmínimas en la cimentación. La ilustración 2 muestra una cortina de concreto.

Cortina de concreto

Cortinas de materiales graduados

Ventajas

-Mayor eficiencia por el empleo constante de maquinaria pesada. Operación continua.

-Estructura Flexible.

Desventajas. Mayor volumen de material por colocar (666 000 m3). Se necesitandiferentes equipos de compactación para los distintos materiales que forman la cortina. Esdifícil encontrar los materiales idóneos. No se conoce con exactitud la interacción de losmateriales.



378

Sección de materiales graduados

NAME

1000m

elevación 1174.50m

2 : 1

1

23 465

1.-Material impermeable2.-Grava y arena3.-Grava y arena en greña4.-Enrocamiento y rezaga5.-Aluvión6.-Roca basal



379

EJEMPLO DE FALLAS EN PRESAS

Presa BARRA DO CAMARA, Paraiba, Brasil, febrero 2002

4 días después de la ruptura.



380

En esta fotografía se puede observar el tamaño de la falla.

Consecuencias de la ruptura de la presa, se provocaron inundaciones en las poblaciones cercanas.



381

INSTRUCCIONES GENERALES PARA LA EJECUCIÓN DE PRUEBAS DEPERMEABILIDAD TIPO LEFRANC.

I. INTRODUCCIÓN

Debido al gran desarrollo que últimamente ha tenido nuestro país la construcción decortinas cimentadas sobre terrenos de aluvión, es de gran importancia investigar lapermeabilidad de dichos terrenos, sobre todo teniendo en cuenta que no son formacioneshomogéneas, sino que, por el contrario, frecuentemente presentan una heterogeneidadbien marcada, sobre todo en sentido vertical.

En estas condiciones, puede ser conveniente investigar la permeabilidad horizontal endiferentes horizontes, como dato adicional al de obtener el coeficiente de permeabilidadmedio, por los métodos convencionales de bombeo a través de un pozo central.

II. CONSIDERACIONES TEORICAS

La prueba se ejecutara en una perforación expresamente hecha para el efecto, que en suextremo inferior estará dotada de una cámara filtrante.

La prueba podrá hacerse a flujo constante, sea por bombeo o por inyección de un gastoconstante; o en flujo variable por ascenso o descenso de la superficie del agua dentro dela perforación. En ambos casos es recomendable que la carga de prueba se limite avalores del orden de los 5 m o 10 m como máximo.

III.- Para el primer caso (véase Fig. 1), si se denomina por H la diferencia de carga totalcorrespondiente al gasto Q, la permeabilidad estará dada por:

K = C (Q/H)

En donde C es un coeficiente que depende de las dimensiones y forma de la cámarafiltrante, que para efectos de esta prueba se considera como un elipsoide de revolucióncon el eje corto igual con D y una distancia focal 1. K en m/seg.

D

l r

D

l

D

l

c

4

12log

o´ l

D

Dl l

c

22

log

366.0

En las figuras Nos. 2 y 2ª se presentan graficas para encontrar el valor de C en funcióndel diámetro de la perforación y la longitud de la cámara filtrante, de acuerdo con lasformulas (2) y (2ª).

Con el objeto de comparar que las condiciones son normales, se harán ensayos congastos mayores y menores que el de prueba y los valores Q, H se llevaran a una grafica a



382

escala natural, en donde, si el ensayo es correcto, y el flujo laminar, deberán de quedaralineados a lo largo de una recta pasando por el origen. (Véase Fig. 3).

Cuando el tramo de prueba se encuentre en la cercanía al fondo impermeable o a lasuperficie del manto freático, al coeficiente C debe hacérsele una corrección, mediante el

aumento de valor.

.8

1

hc

IV.- Cuando el terreno sea poco permeable, podrá usarse el segundo caso, flujo variable,cuyos elementos los referimos en la Fig. 4 en la que:

D Diámetro de la tubería en metros.1 Longitud de la cámara filtrante en mho Distancia del punto medio de la cámara filtrante al manto impermeable.H1 Carga en el instante T1.H2 Carga en el instante T2.

A Área efectiva de la sección transversal de la tubería de prueba en m2.

T1, T2 Tiempos correspondientes a H1 Y H2.

Para este caso:

11

2

1

3.2T T

H

H Log

CAk

C tiene el mismo significado que para el caso 1, obteniéndose los valorescorrespondientes usando las graficas de las figs. 2 ò 2ª.

Los diferentes puntos correspondientes a las medidas Hn, Tn deben de alinearse sobre lagrafica log. H, T.

Para él calculo de K Por medio de la formula (4) es preciso conocer la posición del nivelestático N.E. del manto, a fin de determinar los valores de H con respecto a la profundidadZ0 del nivel del agua en el manto, contada generalmente a partir de la elevación de laboca del tubo.

Por consiguiente:

Hn = Zn - ZO en subida (caso 2ª)Hn = Zn - ZO en bajada (caso 2b)Z = Profundidad a partir de la boca del tubo.

El caso 2b puede efectuarse arriba del nivel estático del agua, en cuyo caso las cargasH12 Y H22 se medirán a partir del punto medio de la cámara filtrante, la cual estará a unaprofundidad ZO2 contada a partir de la boca del tubo.



383

Los valores deT

H En m/seg.

Y Z en m, se llevaran en una grafica que, en principio, debe alinearse a lo largo de una

recta, que cortara el eje de las ordenadas (profundidades) en la elevación correspondientea la del nivel estático el manto freático. (Fig. No. 5).

En el caso de que la prueba se haga arriba del N.E., (Caso 2b) la recta cortara el eje delas ordenadas, a la elevación media de la cámara filtrante, y dicha prueba siempre será debajada.

V.- Condiciones generales que deben satisfacer para que la prueba se considereaceptable.

a) La relación 1/D debe ser igual o mayor a 5.

El valor 1/D es conveniente también limitarlo a 10.0 m como máximo; pero procurandoque los valores usuales estén comprendidos ente 1 y 5.0 m.

b) Debe considerarse como no satisfactoria la prueba hecha a través del fondo del tubosolamente, debido a la posibilidad de que el material resuelto remonte la tubería,falseando los resultados, y a que el valor de K sería en sentido vertical, principalmente.

a) CAMARA FILTRANTE.

c.1. La cámara filtrante puede construirse por medio de un tramo de tubo ranurado,

hincado a partir del fondo de la perforación, el área de ranuración debiendo ser superior al15 % del área filtrante.

En este caso es muy importante que se pruebe por medio de una sonda, que en lacámara filtrante no ha remontado material fino, limo o arena, que reduzca las dimensionesde la misma, pues entonces los datos finales serán falseados.

c.2 La cámara filtrante podrá también formarse con grava gruesa no graduada, rellenandoel tramo inferior de tubería de hádeme la que sería izada posteriormente una longituddeterminada. El relleno de grava deberá quedar a una cota superior a la del fondo delademe, y estar construido por granos comprendidos entre 1.5 y 2.5 cm.

En este caso, si se comprueba que la tubería de ademe ha quedado floja dentro de laperforación, y existe la posibilidad de flujo a través del espacio comprendido entre lasuperficie exterior del tubo y las paredes de perforación, y si ademar el terreno estasaturado, deberá hacerse una prueba basándose en bombeo, o de flujo variableascendente.

c.3 En fin la cámara filtrante puede quedar construida por un tramo de la perforación, sinademe, en caso de que no exista la posibilidad de derrumbes y descompresiones delterreno que pueda falsear los valores correspondientes al terreno virgen.



384

a) Siempre que sea posible, debe preferirse la prueba basándose en bombeo a flujovariable, ascendente, con objeto de evitar la posibilidad de formar obturaciones al inyectaragua a presión, si esta última es muy grande.

b) Es conveniente que los valores de Z1, Z2, Z1

2

, Z2

2

Se obtenga por medio de unasonda eléctrica introducida a través de un tubo de menor diámetro que el del ademe,colocado ex profeso para el caso.

PRUEBAS LEFRANC.

Ejemplos.

Caso No. 1. Carga constante.

Datos:

D = 7.6 cm (NX).H1 = 1.50 M – Z0 – Z1 Q = 0.5 Lts/seg. – 0.0005 m3/seg.1 = 1.0 m.

Los valores que se toman en el campo son:

Z0 en m; profundidad del manto con respecto a la boca del tubo.

Z1 en m; profundidad del agua en el pozo, para un gasto Q constante.

Q en litros por segundo constante, durante 10 minutos.

Y de estos tres datos, los que hay que tomar con mayor cuidado son Z1 y Q, pues son enlos que se puede cometer errores con gran facilidad. Una forma de limitar la posibilidad deerror es efectuar la prueba con este método solo para valores de Z0 reducidos, digamosdel orden de los 5.0 m a 10.0 m como máximo.

En estas condiciones es posible medir la profundidad Z1 con una sonda eléctrica, a travésde un tubo de menor diámetro que el ademe; Y el agua con gasto Q2 deslizarla por elespacio comprendido entre los dos tubos, y mantener el gasto constante durante 10minutos.

En estas condiciones C = 0.52 (Fig. 2ª) Y

K =5.1

0005.052.0 = 1.74 X 10-4 m/seg. = 1.74 X10-2 cm/seg.



385

PROCEDIMIENTO GENERAL SOBRE EL ANÁLISIS MATEMÁTICO, PARA ÉLCÁLCULO DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE LAS PRUEBAS TIPOLEFRANC.

ANTECEDENTES

Como complemento a las instrucciones generales sobre las operaciones de campo, paraejecutar pruebas de permeabilidad tipo Lefranc, tanto de flujo constante como variable, enmateriales granulares, la dirección de Geología a estandarizado el análisis matemáticopara él calculo del coeficiente de permeabilidad K, tomando en consideración lasinstrucciones que para este tipo de pruebas hicieron CC. INGS. Francisco Torres H. Y

Alfonso de a O Carreño, del consultivo técnico, en junio de 1967.

CONSIDERACIONES TEORICAS Y EJEMPLOS

En el instructivo para operaciones de campo, para ejecutar pruebas de permeabilidad tipoLefranc, se explica detalladamente el procedimiento que se sigue para ejecutar en el sitiodel estudio cada uno de los diferentes ensayos, así como el equipo que se utiliza y lascondiciones que deben de existir para escoger el tipo de prueba más conveniente.

En el caso de la s pruebas de flujo constante, ya sean por bombeo o por inyección deagua, en las que se calcula, con los datos de campo, el gasto Q en lts/seg. Y la carga Hen m, con el fin de graficar el resultado de la prueba, se utilizan estos mismos datos paracalcular el coeficiente de permeabilidad por medio de la formula siguiente, convirtiendo aQ en m3/seg.

K =

H

QC en m/seg.

En la que C es un coeficiente que depende de la forma de la cámara filtrante.

Para nuestro caso, fue considerada la cavidad como un elipsoide de revolución con ejecorto igual a D y una distancia focal igual a 1.

Los anexos 2 y 2ª, son una s graficas para encontrar el valor de C en diferentesdiámetros, en función del diámetro de la perforación y la longitud de la cámara filtrante.Estas graficas fueron dibujadas de acuerdo con las siguientes formulas:

C =

D

Lr

D L

D L

4

12)(log

(Gráfica 2).

C = 0.366 L

D

D L L

22log

(Gráfica 2ª).



386

En estas formulas el valor de C esta dado en m-1.

Los anexos 14 y 15, son dos ejemplos de registros de calculo de permeabilidad; de flujoconstante por inyección el primero y por bombeo el segundo, dados en el instructivo de

operaciones de campo. En ambos casos se encuentra la carga H en m, y el gasto Q enm/seg., Dé las 5 observaciones, con lo que se va desarrollando en calculo para cada unade ellas hasta obtener igual número de coeficientes K n cm/seg. Con los cuales se haceun promedio para tener el coeficiente de permeabilidad del tramo.

Para el caso de la prueba variable, con ascenso o descenso de la superficie del aguadentro de la perforación, en las que se van obteniendo las profundidades H1 y H2 con queva variando el espejo del agua cada determinado tiempo de observación ∆ T, elcoeficiente de permeabilidad esta dado por la fórmula.

K =122

1

3.2T T

H

H Log

CA

En la que C se obtiene igual que en el caso de las pruebas de flujo constante (en lasgraficas 2 y 2ª), Teniendo el mismo significado.

Los anexos 16 y 17, son también los ejemplos dados en las instrucciones sobreoperaciones de campo, para pruebas de flujo variable con ascenso y descenso del espejode agua dentro de la perforación.

En los dos casos es necesario, para las cinco observaciones, anotar en las hojas de

registro de calculo la profundidad ZO O ZO2

en m, las profundidades H1 y H2 en m ycalcular el área de la cámara filtrante de acuerdo con el diámetro D de la perforación. Conestos datos se desarrolla él cálculo, obteniéndose cinco coeficientes, de cuyo promedio seobtiene el coeficiente K en cm/seg. Del tramo probado.

En los dos casos, tanto de flujo constante como de flujo variable, cuando el ensayo sehizo enseguida del nivel freático o muy cerca de un manto impermeable, es necesariotomar en consideración que se deban reportar las distancias H0 O H02 según del caso delque se trate.

Al coeficiente C debe hacérsele una corrección adicional, calculada de acuerdo con la

formula:

C = HOS

1

La interpretación de los resultados de esta prueba, es de suma importancia, ya que de ellodepende la aprobación o el rechazo del estudio del que se trate con respecto a lapermeabilidad o a la programación del tratamiento adecuado para la impermeabilizaciónde la boquilla.



387

Una permeabilidad de 1.0 X 10-6, de 1.0 X10-7 o mayor, se puede considerar como que elmaterial es impermeable, la permeabilidad resultante de 1.0 X 10 -5, como pocopermeable; de 1.0x10-4, como permeable y, entre 1.0X10-3 Y 1.0X10-2, como altamentepermeable.

CONSIDERACIONES SOBRE LA EJECUCIÓN DE PRUEBAS DE PERMEABILIDADTIPO LEFRANC EN TERRENOS SOMEROS

I.- GENERAL

En algunas ocasiones se presenta la necesidad de obtener valores de la permeabilidad enterrenos someros, en los cuales se proyecta la construcción de un canal de conducción deagua, y se desea tener una idea preliminar sobre si es necesario prever la construcción deun determinado tipo de revestimiento y diseñar los drenes correspondientes, tantotransversales como longitudinales.

En estas condiciones, es ventajoso conocer los valores de la permeabilidad en losterrenos en que se excavará la cubeta del canal, aun cuando estos valores sean relativosy aproximados, como consecuencia de las condiciones de los terrenos y de las mismaspruebas.

El procedimiento que se aconseja a continuación, da valores aproximados de lapermeabilidad de los suelos, en la suposición de que se efectúe un flujo laminar y que halogrado establecerse previamente. Tales valores deben tomarse como un orden demagnitud que puede ser útil para orientar el diseño.

Sin embargo, es probable que en muchas ocasiones sea necesario afinar los resultados,ejecutando investigaciones de infiltración directa en pozos o zanjas.

De todas maneras, parece conveniente efectuar investigaciones de campo que permitenen el futuro poder relacionar coeficientes de permeabilidad, con infiltración por unidad desuperficie mojada en canales.

II.- CONSIDERACIONES TÉCNICAS

En lo que sigue, se hará referencia a la Fig. No. 1



388

NIVEL DEL TERRENO

h h1 h2

H

D

a) Se considera una perforación que se ha llevado hasta una profundidad de cuandomenos cinco veces el diámetro de la misma y que se llenara de agua hasta la boca, demanera de obtenerse una carga H1, con respecto al fondo.

b) Se suministrara constantemente agua al pozo durante un tiempo mínimo de 5 minutos,de manera de conservar el nivel del agua en su posición inicial.

c) Se suspende el suministro de agua y se permite iniciar el descenso del nivel de agua,

en el pozo. Al iniciarse el descenso se tomara una lectura de tiempo T1 en un cronometro.

d) Al haber transcurrido un tiempo ∆T, se tomara con sonda el nuevo nivel del agua, elcual habrá descendido una cantidad ∆H y provocara una nueva carga H2 sobre el fondode la perforación.

En estas condiciones:

K = 2CA H

T H /

Siendo C = 0.366 H

D

D H H

22log

(en m-1).

En donde H =2

21 H H



389

D = Diámetro de la perforación en m.A = Área de la perforación en m2.= H1 – H2 en m.

NOTA: D tiene el mismo significado que el dado en él artículo anterior: Pruebas de

permeabilidad tipo Lefranc.∆T = Tiempo transcurrido durante el descenso entre las dos lecturas H1 y H2, ensegundos.

III.- Es conveniente comprobar que la perforación no se haya azolvado antes de laprueba, ni durante la misma.

En caso necesario, podrá agravarse la perforación o usarse tubería ranurada con unasuperficie abierta mayor del 15 % del área circunferencial del tubo.

Por otra parte, deberá limitarse el valor de H a una fracción de H1, pudiendo decirse quees conveniente limitarlos a un 20% de H; ó sea, ∆H ≤0.2H.

INSTRUCCIONES GENERALES SOBRE OPERACIONES DE CAMPO, PARAEJECUTAR PRUEBAS DE PERMEABILIDAD TIPO LEFRANC.

ANTECEDENTES

El procedimiento a seguir, así como el equipo necesario para su ejecución en las brigadasde perforación y pruebas de permeabilidad, dependientes de la dirección de geología, sedeberán de estandarizar para efectuar en el campo las operaciones de los ensayes depermeabilidad tipo Lefranc, así como la forma de llevar los registros y él calculo.

La dirección de geología ha adoptado dichos procedimientos, tomando en cuenta loespecificado por el consultivo técnico en sus ―instrucciones generales para la ejecución depruebas de permeabilidad tipo Lefranc, y lo observado en las disposiciones de operación,tomadas para la ejecución de estas pruebas en materiales granulares. Se deberá tener encuenta que existen otros criterios para hacer este tipo de pruebas, e interpretaciones.

CONSIDERACIONES GENERALES

Los estudios o investigaciones que se hacen para determinar la permeabilidad en elsubsuelo de una boquilla o vaso, es un complemento de información necesaria, ya que laperforación de un pozo de muestras no es suficiente para conocer el estado real delterreno.

Es indispensable localizar en que perforaciones de reconocimiento se efectuarán losensayos de permeabilidad, de las programadas para el estudio geológico de la boquilla ydel vaso, ya que de preferencia deberá hacerse las pruebas en estos sondeos.

La permeabilidad en la roca, a través de grietas, fracturamientos o fisuras, se miden pormedio de las pruebas lugeon, pero cuando la naturaleza del terreno no permite hacer este



390

tipo de ensayos, por ser granulares, se aprovecha su impermeabilización natural paraque, en la perforación se hagan pruebas Lefranc.

En este tipo de pruebas, efectuadas en capas de arena, limos, aluviones, escombros, etc.,en los cuales la velocidad del flujo es lenta, la perforación debe quedar ademada y,

únicamente el tramo de prueba, situado en la parte inferior de la tubería, quedara libre.PERFORACIÓN

La perforación, que es una de las condiciones más importantes para la ejecución correctapara una prueba Lefranc, se deberá hacer preferentemente con una perforadora rotatoriacon broca de diamante para extraer núcleos de materiales, pero se poda hacer tambiéncon perforadoras rotatorias con broca de tungsteno, sin extraer corazones; O como ultimorecurso, con maquina de percusión, siempre y cuando se pueda ir ademando y haciendoun lavado intenso del tramo de prueba.

La broca deberá ser, de preferencia de tipo NX, o sea 7.6 cm (3‖) de ø; En caso de usarotro diámetro, sé deberá representar para tomarlo en cuenta en la cuantificación delcoeficiente de permeabilidad.

Es indispensable que el procedimiento de perforación no modifique las condicionesnaturales del terreno, por lo que se deberá evitar el uso de barro, bentonita o cementaciónpara la protección de caídos ya que con esto se taponaría los pequeños vacíos delmaterial por prueba. La perforación con agua es indispensable, aunque esta condición noes suficiente porque con cualquier perforadora con más o menos intensidad lossedimentos de los cortes taponaran las paredes del pozo; sin embargo, esto no se puedeevitar, pero si se disminuye con el lavado de la perforación.

Es necesario evitar hacer las pruebas de permeabilidad sobre longitudes de perforacióndemasiado grandes, si se desea tener una permeabilidad real el terreno. Una longitudmáxima de 5.0m para un tramo, es conveniente, utilizando como limites de la cámarafiltrante, el fondo de la perforación y la parte inferior del ademe.

En este tipo de pruebas, la perforación se deberá ademar, quedando únicamente el tramopor probar debajo del extremo de la columna de perforación.

En la mayoría de los casos que se estudian, la herramienta de perforación deja unacavidad uniforme debido a la cohesión del terreno, pero en algunas ocasiones se deberecubrir, para mantener esta condición, al relleno de gravas gruesas, que dejan vacíossuficientemente grandes para que el agua de la prueba no sufra perdida de cargaconsiderable, o se pueda recurrir al acondicionamiento de un tubo del mismo ademe conperforaciones ranuradas no sea menor del 15% de la superficie total del tubo, cuyalongitud es la del tramo de prueba.

Debido a la gran cantidad de condiciones que se presentan al realizar este tipo deensayes, únicamente nos estamos refiriendo al caso en que se cuenta con una cámarafiltrante definida. Par otros se recurrirán a procedimientos especiales para formar lacavidad.



391

PROCEDIMIENTOS

De acuerdo con la naturaleza del terreno, dada por el método de perforación, se puedeprogramar dos tipos de pruebas Lefranc: de flujo constante o de flujo variable, lasprimeras se dividen en ensayes de inyección y de bombeo, de gasto constante y las

segundas, en ensayos de ascenso y descenso, de la superficie del agua dentro de laperforación.

Las pruebas de flujo constante consisten en determinar la permeabilidad de un tramo dela perforación, inyectando o bombeando del pozo un caudal constante de agua,determinando la profundidad en la que se estabiliza el nivel del agua con este caudalhaciendo varias observaciones al hacer variar este.

INYECCIÓN GASTO CONSTANTE

Los anexos 1 y 2 contienen el esquema de las instalaciones necesarias para ejecutar estetipo de pruebas cuando se trata de inyectar pequeños volúmenes, o para grandesconsumos. En general, consiste en un tanque, en el que la carga sea constante para elprimer caso o en una bomba, con tanque de control de bombeo, para el segundo.

Además, se requiere instalar una válvula de paso, una válvula de compuerta o globo paracontrol y un medidor de volúmenes, independientemente del cronometro, la sondaeléctrica y los recipientes con medidas conocidas para hacer las comparaciones delvolumen que se está inyectando.

En todos los casos de ensayos Lefranc, la prueba se va efectuando a medida que avanzala perforación; Es decir, una vez que la perforadora a llegado a la profundidad de la parteinferior del tramo por probar, se levanta la barrena hasta el nivel superior, volviendo abajar para comprobar si no se presentan modificaciones, por caídas en la cámara filtrante.Si esto sucede se bajara el ademe hasta el fondo, virtiento una cantidad de gravasuficiente para cubrir la longitud del tramo, inmediatamente se levantara el ademe hastasu posición original.

La prueba se iniciara vertiendo agua dentro de la perforación, calibrando con la válvula decontrol hasta que el nivel se estabilice, con una carga de 10.0 m aproximadamente a partirdel centro de la cámara filtrante. En este instante se principiara a contar el tiempo de laprueba, que por lo general es de 10.0 minutos, tiempo que continuamente se estarácomprobando con la sonda eléctrica que no varié el nivel estable. Terminado el tiempo deprueba, se tomara en el medidor el volumen inyectado.

Para las siguientes observaciones sé ira disminuyendo el caudal, con lo que los nivelesestables Irán bajando, y en cada operación sé ira tomando el tiempo y el volumeninyectado. En el anexo 3, se proporciona un ejemplo de registro de campo para laejecución de este tipo de prueba, en el que se ve, para cinco observaciones, es necesariotomar el volumen agregado en litros, el tiempo de observación en segundos y lasprofundidades del nivel estable (h) en m. con estos datos se calcula el gasto Q en Lts/seg.Y la carga H. Es importante también anotar las profundidades del tramo del que se trata,el diámetro de la perforación (D), la distancia entre el terreno natural y la boca del ademe(p) y la longitud de la cámara filtrante (L).



392

En el mismo anexo, se hace una grafica de ensayos para comprobar que la prueba fuehecha correctamente y en condiciones satisfactorias. A la escala más conveniente, sobreel eje horizontal, se marcan los puntos correspondientes a los gastos en Lts/seg., Y en eleje vertical las cargas H en m, con lo que se obtendrá tantos puntos como observacionesse hayan efectuado. Si el ensayo es correcto, deberán quedar alineados

aproximadamente a lo largo de una recta que pasa por el origen de los ejes.BOMBEO GASTO CONSTANTE

En este tipo de pruebas, la perforación y el acondicionamiento de la cámara filtrante essemejante al de la prueba anterior. En el anexo 4 se esquematizan las instalaciones parala ejecución de la prueba, que consiste en una bomba para extraer en agua dentro de laperforación y un aditamento con válvula de descarga, válvula de paso y medidor delvolumen de agua. Además se utiliza también un cronometro, una sonda eléctrica y losrecipientes con medidas conocidas, de comprobación.

La prueba se iniciara bombeando agua de la perforación, calibrando la velocidad de labomba hasta que el nivel se estabilice dentro del pozo, procurando que no sea más de10.0 m. de la superficie del manto. Con estas condiciones se principia a contar con eltiempo de la prueba (10 minutos), comparando periódicamente con la sonda eléctrica queel nivel estable no varié. Terminado el tiempo de observación, se tomara la lectura en elmedidor, del volumen bombeado.

Para las siguientes observaciones, sé Irán disminuyéndola aceleración de la bomba, conlo que los niveles estables sé Irán se Irán subiendo y en cada operación, se tomara eltiempo y el volumen bombeado.

El anexo 5 es un ejemplo de registro de campo para la ejecución de esta prueba porbombeo, de gasto constante, y en el se hicieron 5 observaciones, tomándose el volumenbombeado en Lts, el tiempo de observación en segundos y la profundidad del nivelestable ( H ) en m. además las profundidades del tramo probado, el diámetro de la tubería(D), la profundidad del manto freático, la longitud de la cámara filtrante (L) y la distanciaentre el terreno natural y la boca del ademe a la profundidad del manto freático (Z0) secalcula la carga H.

En la misma hoja de registro de campo, sé grafica la prueba de una forma semejante a laexplicada de la prueba de inyección de gasto constante; es decir utilizando el gasto Q y lacarga H para obtener los puntos de observación.

En los casos de prueba de flujo constante, es necesario se tome en consideración, para lamejor evaluación del coeficiente de permeabilidad e un tramo determinado, si el ensayose hace enseguida del nivel del manto freático, o muy cerca de un manto impermeable,que hay que reportar la distancia del centro de la cámara filtrante al nivel del mantofreático (H0) para el primer caso, o la distancia del centro de la cámara al mantoimpermeable (h02) para el segundo. No es posible a veces obtener estos dos durante laejecución de la prueba, si no se localiza a medida que avanza la perforación. Sinembargo, se debe reportar cuando, se tenga la certeza de su existencia.



393

En los anexos 8, 9, y 10, sé grafican los diferentes casos de prueba de flujo constanteque se puede presentar con relación al manto freático al manto impermeable, en gastoconstante por inyección y por bombeo. A demás se indica la forma de graficar la prueba,las pruebas que intervienen para su cuantificación y una forma de registro de campo.

FLUJO VARIABLE DE ASCENSOEl principio de esta prueba, de flujo variable, con ascenso de la superficie del agua dentrode la perforación, consiste en ir determinando la velocidad con la que varia el nivel dentrodel tubo de ademe, habiendo extraído previamente una columna de agua; y dentro deltiempo que durante el ensayo, no extraer o agregar más liquido.

En este caso se recomienda también que, la carga que se aplica para la prueba al extraerel agua de la perforación, no sea mayor de 10.0 m. contados a partir de la superficie delnivel freático. Otra condición para que la prueba resulte satisfactoria, es que la longitud deltramo no sea mayor de 5.0 m o que satisfaga la relación L /D sea igual o mayor de 5, enla que L es longitud del tramo y D el diámetro de la perforación.

El anexo 6 es un ejemplo de una prueba de ascenso de la superficie del agua dentro de laperforación. Para la ejecución de este tipo de ensaye, no se requiere instalacionesespeciales de equipo, ya que únicamente se necesita extraer el agua dentro de laperforación hasta un nivel en donde se puede tener la carga específica; y, con una sondaeléctrica, ir midiendo el ascenso del agua en lapsos determinados, controlados con uncronómetro.

En la hoja de registro de campo, es necesario que previamente al inicio de la prueba, seanoten: Las profundidades del tramo del que se van a probar, la distancia (P) entre elterreno natural y la baca del ademe, el diámetro (D) de la perforación, la longitud (L) dela cámara filtrante y la profundidad del manto freático.

Al hacer 5 observaciones, es necesario anotar para cada una de ellas la distancia entre laboca del ademe y el nivel freático (Z0), la profundidad inicial del espejo del agua (h 1), apartir de la boca del ademe y la profundidad del espejo (h 2), después de habertranscurrido el lapso de observación.

Como comprobación de la prueba se efectuó en condiciones normales, en las mismashojas de registro se hace una grafica de ensayos; en el eje de las ordenadas se marcanlos valores de Z, que es la diferencia de h2 y h1, y en el eje de las abscisas, los valores deZ/T en m/Seg. Los puntos así obtenidos tendrán que quedar aproximadamente alineadoshacia el origen de los ejes.

FLUJO VARIABLE DE DESENSO

En las pruebas de permeabilidad flujo variable con descenso de la superficie del aguadentro de la perforación, es necesario ir determinando la velocidad con la que varia elnivel dentro del tubo de ademe, habiendo vertido previamente una columna de agua, sinque se agregue o se extraiga liquido durante el tiempo que dura la prueba.



394

La carga máxima recomendable no debe ser mayor de 10.0 m. a partir del centro de lacámara filtrante, o del nivel freático. También como en el caso de flujo variable conascenso, la longitud del tramo no debe ser mayor de 5.0 m, reunir las condiciones de larelación L/D, antes citadas.

Con objeto de ver la secuela que se sigue al efectuar en el campo una prueba de flujovariable con descenso del agua de la perforación, se da un ejemplo en el anexo No. 7.

Para la ejecución de estas pruebas no se requiere instalaciones de equipo especial,necesitamos únicamente verter agua dentro de la perforación hasta un nivel que satisfagalas condiciones de carga especificadas y con una sonda eléctrica ir midiendo el descensodel nivel del agua en lapsos de tiempo determinados, controlados con un cronometro.

Durante las 5 observaciones, además de anotar en las hojas de registro las profundidadesdel tramo, la distancia (P) entre el terreno natural y la boca del ademe, el diámetro D de laperforación y la longitud de la cámara filtrante (L), es necesario para cada una de ellasanotar la distancia (Z0) entre la boca del ademe y el nivel del manto freático, siendo ladistancia entre la boca del ademe y el centro de la cámara filtrante, también se registra laprofundidad (h1) entre la boca y el nivel en que se inicia la prueba y la profundidad (h2)hasta donde descendió el espejo del agua después del tiempo (T) de observación.

La comprobación de que la prueba se efectuó en condiciones normales, sé grafica de unamanera semejante a la explicada para la prueba de flujo variable de ascenso, teniendoque llenar los puntos de alineamiento hacia el origen de los ejes.

En los dos casos la prueba de flujo variable, para evaluar mejor el coeficiente depermeabilidad de un tramo determinado, si el ensayo se hizo enseguida del nivel freáticoo muy cerca del manto impermeable es necesario tomar en consideración que se debereportar la distancia h0 o ho descrita a lo referente a pruebas de gasto constante porbombeo.

En los anexos, 11,12 y 13, sé grafican los referentes casos de pruebas de flujo variableque se pueden presentar con relación al manto freático y al manto impermeable, enensayos con ascenso a la superficie del agua dentro del tubo de ademe o de descenso.

Además se indica la forma de graficar la prueba, las formulas que intervienen para sucuantificación y una forma de registro de campo.


Para la buena realización de una prueba de tiempo Lefranc, es indispensable, que antesde su iniciación, se compruebe el funcionamiento de la sonda eléctrica, del cronometro, ydel medidor de volúmenes de agua. Este último utilizando los recipientes con medidasconocidas.

Cuando el medidor no funcione, o su capacidad no sea suficiente para volúmenes muypequeños, se utilizaran estos recipientes para cuantificar el volumen de agua extraído oinyectado, dentro de la perforación, en las pruebas de flujo constante.



395

Las pruebas de flujo constante por inyección, es importe proteger la sonda,introduciéndola dentro de un tubo, con el fin de que el agua, no le produzca variaciones altocarla y se pueda mantener bien definido el nivel estable.

En las pruebas de flujo variable, los tiempos de observación se tomarán dé acuerdo con la

velocidad con que descienda o ascienda el espejo de agua dentro del tubo de ademe,teniendo en cuenta que deberán ser 5 observaciones.

Es conveniente que en este tipo de pruebas se procure la continuidad de las lecturas delas profundidades h; es decir, que la profundidad h2 del ensaye efectuado pasa hacer h1del siguiente, haciendo funcionar él cronometro inmediatamente después de haberterminado el tiempo del ensayo anterior.

En todo tipo de pruebas Lefranc, las escalas que se adopten para las graficas de lospuntos de observación, serán tomadas a criterio del operador, teniendo en cuenta que lospuntos queden separados para ver su alineamiento.

En este instructivo no seda el análisis matemático para él calculo del coeficiente depermeabilidad. Por separándose dará a conocer el procedimiento de cuantificación einterpretación, de acuerdo con los resultados obtenidos en las operaciones de campo.

INSTRUCCIONES GENERALES SOBRE OPERACIONES DE CAMPO, DE PRUEBASDE PERMEABILIDAD TIPO LUGEON.

ANTECEDENTES

Estas instrucciones para hacer el campo de los ensayos de permeabilidad tipo Lugeon,así como la forma de llevar los registros, los a adaptado la S.R.H. para estandarizar elprocedimiento a seguir así como el equipo necesario para su ejecución en las brigadasdependientes de la dirección de geología, encargadas de hacer este tipo de pruebas,teniendo en cuenta que existen otros criterios para hacerlos.

Al formular estas instrucciones se tomo en cuenta lo especificado por el consultivo técnicoen su memurandum de pruebas de permeabilidad y las disposiciones de operacióntomadas por esta dirección parta la ejecución de dichas pruebas en rocas fracturadas.


Los estudios e investigaciones que se hacen para determinar la permeabilidad en elsubsuelo de una boquilla o vaso es un complemento de información necesario, ya que laperforación de un pozo de muestreo no es suficiente para conocer el estado real delterreno.

Es indispensable localizar en que perforaciones de reconocimiento se efectuaran estaspruebas de permeabilidad, de las programadas para el estudio geológico de la boquilla yel vaso, ya que de preferencia las pruebas deben hacerse en estos sondeos.



396

La permeabilidad a través de agrietamientos o fisuras en la roca, se miden por medio delas pruebas de Lugeon efectuadas en el sitio de la perforación.

La dimensión de los bloques de la roca impermeable, separados por agrietamientos, esdespreciable si se compara con la permeabilidad a través de ellos o fisuras.

Para conocer la permeabilidad de una formación de rocas compactas fracturadas, esnecesario que existan estas para facilitar la cuantificación del gasto que se infiltra alefectuar la prueba de permeabilidad en la perforación que sé este haciendo.

PERFORACIÓN

La perforación se deberá hacer perfectamente con una perforadora rotatoria con broca dediamante para extraer núcleos de roca, pero se podrá hacer también con una broca detungsteno, sin extraer corazones; o como ultimo recurso con maquina de percusión tipoSTENUICK, siempre haciendo un intenso lavado del tramo de prueba.

La broca deberá ser de preferencia del tipo NX, o sea de 7.6 cm (3‖) de diámetro; en casode usar otro diámetro, se reportara para modificar el valor del radio de perforación en laformula del calculo del coeficiente de permeabilidad.

Es indispensable que el procedimiento de perforación no modifique las condicionesnaturales de la roca, por lo que se deberá evitar el uso de barro o bentonita para laprotección de caídos, ya que con esto se taponarían las pequeñas fisuras del terreno. Laperforación con agua limpia es indispensable, aunque esta condición no es suficienteporque con cualquier perforadora, con más o menos intensidad, los sedimentos de loscortes taponean las paredes del pozo; Sin embargo, esto no se puede evitar pero si sedisminuye con el lavado de la perforación.

Cuando hay el peligro de derrumbes de la zona superficial, por existir materiales dedepósito o de arrastre que probablemente sean removidos al efectuar las excavaciones delimpia, convendrá ademar esta capa hasta encontrar el tubo en la roca.

Es necesario evitar hacer las pruebas de permeabilidad sobre longitudes de perforacióndemasiado grandes, si se desea tener la permeabilidad real del terreno. Una longitudmáxima de 5 m. para un tramo, es conveniente para el caso que se utilice como limites elempaque y el fondo de la perforación. En caso de usar sonda de doble empaque, cuyaseparación limita la longitud del tramo por probar esta dirección a adoptado una longitudde 1.5 m. por conveniencia de operación, por tratarse de empaques mecánicos.

PROCEDIMIENTO

Se avanzara la perforación hasta una profundidad de 5m. suspendiéndola se hará unlavado cuidadoso al pozo utilizando envarillaje de perforación que se extraerá al terminarla operación. La longitud de 5m., Como es tentativa puede variar por condiciones que seencuentre al perforar, sobre todo cuando se aprecia perdida de agua en donde convieneobtener información por medio de una prueba de permeabilidad, a un cuando el tramoperforado sea pequeño.



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Se introducirá el empaque que deberá llevar situado en la parte superior del tramo porprobar que quedara limitado por este y el fondo de la perforación (anexo N 1.). Se deberáusar el tipo de empaque que mejor se adapte en la construcción del terreno y la presiónpor soportar, ya sea del tipo neumático o mecánico.

Cuando se coloca el empaque y este no obtura perfectamente, al regresar el agua por laperforación se debe a que el empaque no ajusta perfectamente por la irregularidad de lasparedes de esta, o que la formación esta muy fracturada por lo que se forma un circuitoalrededor del empaque. En ambos casos conviene mover el empaque hasta que hayaobturación reportando el tramo que no se haya probado.

Cuando es necesario hacer primero la perforación o probar en una ya existente lapermeabilidad se podrá proceder en forma ascendente. Utilizando dos empaques unidopor un tubo perforado, cuya separación fija la longitud del tramo por probar (Anexo N.2).

Los anexos 1 y 2 esquematizan el dispositivo para efectuar las pruebas. Con un soloempaque, encontrándose probada la formación hasta cierta profundidad se perforara laSIG. Longitud del tramo por probar; se fija la parte superior de este nuevo tramo delempaque, que de acuerdo con la formación, puede ser de copas de cuero, las rondanasde hule ajustadas por compresión o neumáticos y se inyecta agua bajo presión por mediode una bomba de flujo continuo.

Cuando se utilizan dos empaques separados, probando en forma ascendente, se debe detener en cuenta la localización de la sonda para no empalmar tramos de prueba.

EQUIPO

Entre la tubería que cubre la longitud del empaque a la boca del pozo y la bomba, debende estar instalados: un manómetro que debe estar situado en la entrada de la perforación,un medidor de agua y un tanque regulador de presiones.

En general el equipo necesario para ejecutar pruebas de permeabilidad tipo Lugeon en elcampo, es el siguiente.

a) Un empaque que puede ser de copas de cuero, mecánico o neumático que se adapte ala formación del terreno cuando se trata de probar un tramo al ir perforando (anexo N 1.)Una sonda de dos empaques con un tubo de separación con perforaciones (anexo N2)para hacer pruebas de un pozo perforado previamente; tanto en el primer caso como en elsegundo, los empaques deberán estar unidos con la tubería de inyección hasta la bocadel pozo.

b) Un manómetro se instalara en la entrada de la perforación, inmediatamente despuésdel extremo superior de la tubería. Si por algunas circunstancias no es posible esto, setomara en cuenta las perdidas por las instalaciones entré el manómetro y la tubería.

c) Un medidor de agua que se pondrá enseguida del manómetro, que puede ser el tipo dereloj o de disco, con registro vertical doble para regresar a 0 graduado en Litros.



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d) Un tanque regulador de presiones, que esta unido por un extremo del medidor de aguay por otro a la bomba de inyección, teniendo dos válvulas de compuerta para laalimentación del pozo y otro de descarga que se controlaran las presiones de prueba.

e) Una bomba de inyección que puede ser de pistones o centrífuga de alta presión, pero

perfectamente una de vació progresivo ―moyno‖ capas de suministrar 300 l.pm. a unapresión de 2.5 kg/cm2.

f) Un tanque auxiliar para abastecimiento de agua para 3000 lts.

g) Válvulas de paso mangueras de presión, líneas de alimentación y además herramientaque sea necesaria para suministrar de, manera continua el inyectado de agua de laprueba y un control preciso de las presiones.

Tanto el medidor de agua como el manómetro deberán ser verificados antes de principiarla prueba. Estas verificaciones harán en el campo para los medidores de agua se utilizaraun tanque del que se conozcan sus dimensiones y se comparara el volumen con lasmarcas del medidor. El manómetro se podrá verificar por medio de una columna de aguade 10 m., que corresponderá a una presión manométrica de 1 kg/cm2, o comparándolocon otro manómetro calibrado previamente.

Una vez instalado el equipo correctamente es decir, el empaque en la profundidaddeseada y con obturación perfecta, el manómetro inmediatamente después de la boca delpozo, el medidor de agua, el tanque de regularización de presiones, la bomba y el tanquede almacenamiento (estos últimos no es indispensable que se encuentren cercanos a laperforación, siempre y cuando la bomba alcance a levantar la presión manométrica de 10Kg/cm2 en la boca del pozo necesaria para ejecutar la prueba), se procederá de lasiguiente manera:

En las hojas de registro de campo correspondientes, en la columna Hp, que es la cargaque corresponde a la presión de prueba, se anotan las presiones ascendentes de 2.5, 5.0,7.5, y 10 kg/cm2 , en la columna H2 la distancia vertical entre el manómetro y la parteinferior del empaque (en kg/cm2).

La operación del ensayo se inicia con una prueba tentativa de un minuto, que tiene comofinalidad calcular la presión manométrica de prueba aproximada H1.

Con los valores conocidos de Hp y H2, y considerando que Hf , perdida por fricción en eltubo alimentador desde el manómetro hasta el empaque, es de 0 por iniciarse la prueba,tenemos que:

H1 = HP – H2

Con este valor H1, que se anotara en la columna ―manómetro‖, se inicia la prueba delminuto, lapso de tiempo en la que ya debe haberse registrado gasto. Cuando este sea de63 lts/min/m ò mayor, se le tomara en cuenta para un nuevo cálculo de H1 ya corregidopor las perdidas de fricción. Con el gasto obtenido se calcula en las tablas o se saca de la



399

grafica esta pérdida de carga a la profundidad que sé esta haciendo la prueba, cuyo valorHf se aplica a la formula:

H1 = HP + Hf – H2

Presión manométrica con la que se ejecutara la prueba durante 10 minutos.Es importante que durante esta corrección no se inyecte agua al pozo, si no que alterminar el minuto se ponga a trabajar la descarga o la válvula de retorno.Después de los 10 minutos de prueba se anotaran en la columna Q el gasto obtenido, ycon el se calculara una nueva perdida de carga por fricción, con la que se podrá obtenerel verdadero valor de HP.

HP = H1 + H2 – Hf

Cuando H2, distancia vertical entre el manómetro y el empaque, este afectada por el nivel

freático, es necesario reportar Hn que es la profundidad igual a la longitud entre el nivelfreático y el empaque, con el fin de calcular H1 y Hp se utilice la diferencia H2-Hn enKg/cm2 en lugar de la carga H2.

La operación antes descrita se repitiera para las pruebas ascendentes de 5.0, 7.5 y 10Kg/cm2 y en las descendentes de 7.5, 5.0 y 2.5 Kg/cm2.

Para pruebas de profundidad mayores de 20 m se suprime las de 2.5 kg/cm 2; de 45 m deprofundidad en adelante, no deben hacerse las de 205 y 5.0 kg/cm2. A 70 m deprofundidad, únicamente se harán las de 10 kg/cm2 debido que al calcular H1, o sea laaltura que corresponda a la presión manométrica, esta resulta muy pequeña para estosvalores.

Él haber tomado 63 lts/min/m como gasto mínimo para cálculo de las perdidas de cargapor fricción, es que en volúmenes menores los valores resultan despreciables.

La prueba tentativa de 1 minuto da la oportunidad de observar si el terreno de la zona porprobar aguanta las presiones a que se someterán, ya que en muchos casos hayadestaponamientos o movimientos en la formación, creando fisuras artificiales, con lo queen realidad los datos obtenidos serán falsos. En estos casos, el consumo de agua será deconsideración y la presión especificada será difícil de alcanzar, por lo que es inútil tratarde hacer las siguientes pruebas ascendentes; es preferible ejecutar la descendente osuspender definitivamente la prueba, reportando las anomalías en la hoja de registro.

Cuando ya se tiene un conocimiento preciso de las presiones que soporta el terreno parasu ruptura, es preferible hacer la prueba descendente al llegar a este limite, con lo que lasgraficas de permeabilidad se interpretaran de una forma más correcta por la comparaciónde los datos obtenidos en las pruebas crecientes y decrecientes.

Otra de las anomalías que se presentan en la ejecución de este tipo de pruebas es, comoya se indico anteriormente, la colocación de los empaques para obtener una obturación



400

correcta, por lo que es indispensable escoger el empaque adecuado de acuerdo con lascondiciones de la perforación.

Por lo antes expuesto, el consumo de agua resulta a veces excesivo y cuando se hacenlas pruebas en sitios escasos de agua y el almacenamiento no es suficiente para

ejecutarla aun con válvula de retorno al tanque, es necesario tener el criterio suficientepara saber el momento en el que debe suspenderse la prueba.

PERDIDA DE CARGA

Como se explico anteriormente, al efectuar la prueba hay pérdida de carga por fricción enla tubería de inyección que se encuentra colocada entre el manómetro y el empaque; esnecesario tomar en cuenta esta pérdida para poder evaluar correctamente el coeficientede permeabilidad.

En los anexos 1 y 2 la distancia vertical del manómetro al empaque H2 es el tramo detubería que hay que tomar en cuenta para calcular la pérdida de carga.

En la tabla siguiente, los valores de la pérdida están calculados para profundidades de1m, empezando con un gasto de 65 lts/min/m.

PÉRDIDA DE CARGA POR FRICCIÓN EN TUBERÍA GALVANIZADA DE 1" DE DIAMETRO, PARA 1M DE PROFUNDIDAD EN KGS/CM2 /M.

Q lts/min. 65 70 75 80 85 90 95 100

0.0184 0.0211 0.0242 0.0278 0.0312 0.035 0.0391 0.044

Q lts/min. 105 110 115 120 125 130 135 140

0.048 0.052 0.0571 0.0637 0.0658 0.0722 0.0784 0.0839Q lts/min. 145 150 155 160 165 170 175 180

0.0898 0.0968 0.1028 0.1098 0.117 0.124 0.1313 0.1392

Q lts/min. 185 190 195 200 205 210 215 220

0.1469 0.1547 0.1633 0.1716 0.1183 0.196 0.206 0.216

Q lts/min. 225 230 235 240 245 250 255 260

0.224 0.233 0.246 0.256 0.265 0.28 0.288 0.3

Q lts/min. 265 270 275 280 285 290 295 300

0.3115 0.325 0.33 0.34 0.352 0.363 0.3795 0.391

Por ejemplo, si estamos probando el tramo de 25 a 30m de profundidad (H 2 = 25.50 m) yel gasto fue de 100 lts/min, la pérdida de carga será:

Hf = 25.50 x 0.0440 = 1.122 kgs/cm2/m

Se anexa una gráfica para valuar pérdidas de carga en tuberías de 2‖, 1.5‖, 1.25‖, 1‖, ¾‖de diámetro, que están en función de éste y del gasto Q.

Con las hojas de registro de campo, que incluyen los datos de las pruebas, así como lasanotaciones de las observaciones y anomalías encontradas al efectuar la prueba, en elgabinete se revisan y se corrigen los trabajos para hacer la interpretación correcta de los



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mismos. El consultivo técnico ha formulado instructivos para estas operaciones, los cualesse están utilizando en esta dirección.

CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE OPERACIONES DE PRUEBAS DEPERMEABILIDAD.


Las pruebas sobre la permeabilidad de la cimentación de una cortina en una boquilla enestudio, y el tratamiento de la cimentación de una cortina, exigen operaciones de campocuya similitud ha dado lugar a confusiones que es necesario evitar.

Estas operaciones de campo básicamente encaminadas a conocer el grado depermeabilidad de la cimentación de una cortina que se proyecta construir, o que ya séesta construyendo, son los siguientes.

1. - Determinación de la permeabilidad de la boquilla, como complemento necesario de suestudio geológico.2. - Prueba de agua como operación previa al trabajo de inyección de lechada, en lacimentación de una cortina.

3. - Trabajo de inyectado como tratamiento de la cimentación de una cortina y de susobras auxiliares.

4. - Prueba de la pantalla comprendiendo;

a) Efectividad del trabajo de inyectado.b) Impermeabilidad de la pantalla.

Se considera para esta exposición de carácter general, que hay dos tipos esenciales demateriales del subsuelo, desde el punto de vista de la facilidad mayor o menor quepresenten para el paso de un flujo de agua a través de su constitución, siendo las quetienen permeabilidad en pequeño y las que corresponden a permeabilidad en grande.

Los materiales que para los fines de este instructivo se consideran con permeabilidad enpequeño, son todos los granulares, incluyendo las arcillas, limos, arenas y gravas. Seconsideran como permeabilidad en grande, las rocas con juntas fracturadas, fisuras,lajeados, y grietas, vacías o rellenas de material granular.

Para la permeabilidad en pequeño, si es posible obtener una muestra inalterada delcampo, se podrá determinar en laboratorio, pero la permeabilidad en grande solo se podrámedir mediante operaciones en el campo.

En una roca fisurada existe la permeabilidad en grande por el flujo que se establece através de los huecos o fisuras, y ante la magnitud de este flujo, la permeabilidad enpequeño de los bloques que quedan limitados por las fisuras, resulta despreciable. En lamayor parte de los casos la permeabilidad en roca fisuradas podrán definirse como



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coeficiente de permeabilidad semejante a los determinados y usados para materialesgranulares.

Las pruebas de permeabilidad a las que se refiere el presente instructivo, consiste eninyectar agua en el terreno por medio de una perforación en tramos de ella de longitud

conocida, con presiones escalonadas, registrando los gastos correlativos que se aplican.Es indudable que el gasto Q de absorción provocado por la inyección de agua, esta ligadoa la presión P en el tramo de perforación, por una ley que ira desde la formula conocidade Q = KiA (1)

En la que admitiendo que el escurrimiento es laminar y que por lo tanto puede aceptarsepara la velocidad la expresión,

V = Ki (2)

Resulta aplicable la formula

K =bH

r

r Q

`2

``log3.2

(3)

Hasta una en que el escurrimiento sea turbulento y en la que seguramente no es aplicablela formula de Darcy. La transmisión de uno a otro limite es paulatina y por lo tanto vahaciendo también paulatina la posibilidad de ampliar el uso de la formula 3.

Cuando se investiga permeabilidad en formaciones geológicas que no son granulares,

conviene expresarla como un gasto de absorción con una unidad adoptada. La unidadLugeon (U.L.) Es el gasto de un litro por minuto, en un 1.0 m de longitud en el tramo deprueba, bajo la presión de 10 kilogramos por centímetro cuadrado.

Se admite que la perforación en el tramo de prueba no tiene ademe y que es de 7.6 cm(3‖) de diámetro, aproximadamente. Los tramos de prueba convienen que sean de 5 m. yse deben hacer las pruebas conforme que avanza la perforación para que el fondo de ellaconstituya él límite inferior de ese tramo, quedando como superior el empaque u obturadordel tipo que sea más conveniente para la perforación que se prueba.

Con el fin de hacer comparables los datos que se obtengan en las pruebas de

permeabilidad se llega a un equivalente del valor K de la formula (3) al valor de Lugeon,para que queden expresadas las permeabilidades en grande en Lugeones y también consus valores equivalentes en coeficientes K de permeabilidad. Para esta transformación serequiere para cada caso, admitir en primer lugar que solo se trata de establecer unasimilitud pero sabiendo que el gasto Q estará en función de K determinada por los valoresque enseguida se sellaran y además. Que estos valores son estimativos.

K =bH

Q

2

8.3

500log3.2



403

Log8.3

500 = Log 131.7 = 2.12

Q = un litro por minuto. = 0.0000167 m3/seg.

Se admite como valor de r‖ el de 500 cm. Y el de r` como de 3.6 cm. .b = 1 m.

H = H1 + H2 – Hf = 10 KG / CM2 = 100 M.

K = ./100128.6

12.20000167.03.2 sm

X X

X X

K = 1.3 X 10-7 m/s.

Admitiendo la equivalencia en estas condiciones se podrá siempre expresar lapermeabilidad como gasto de absorción en Lugeon (U.L.) en su coeficiente depermeabilidad (K).

Por comodidad en el campo y por ser valor real, se usara el Lugeon como se ha definidoantes.

Conviene adoptar como tramo de prueba 5 m; pero cualquiera que sea el que se use, delprimer paso para transformar un gasto de absorción (Q en litros por minuto) en Lugeon(U.L.) es dividirlo por la longitud del tramo (b) en metros.

El gasto de absorción en litros por minuto y por metro, para la presión P en Kg/cm2 setendrá que multiplicar por 10/P, admitiendo que hay correlación en la línea recta entrepresión y gasto.

Ejemplo:

1. - para un gasto de absorción de 15 litros por minuto en prueba con tramos de 5 m. ypresión de 6 kg/cm2 sé tendrán

6.0

1

5

15 = 5 U.L. K = 6.5 x 10-7 m/s.

PERMEABILIDAD EN BOQUILLAS

Las investigaciones que se hacen sobre la permeabilidad en el sub-suelo de una Boquilla,constituyen un complemento muchas veces necesario del estudio de su constitucióngeológica.



404

1. - será atribución del geólogo localizar las perforaciones donde deben hacer las pruebasde permeabilidad en una boquilla.

2. - la perforación sé deberá hacerse perfectamente con una perforadora rotatoria conbroca de diamante, para extraer corazones, pero si existe una condición difícil de vencer o

limitaciones económicas, para el uso de este equipo, se podrá aceptar que no seextraigan corazones usándose en este caso una perforadora rotatoria con broca deTungsteno o una maquina de percusión del tipo Stenuick, siempre haciendo un extensolavado del tramo de prueba.

3. - La broca deberá ser preferentemente del tipo NX o sea de 7.6 cm (3‖) de diámetro,pero sé podrá usar de otro diámetro solo que variando en tal caso, el valorcorrespondiente de radio (r`) de la perforación en la formula (3) del valor de K.

4. - En la perforación sé deberá evitar el uso de barro o Bentonita para la proteccióncontra derrumbes.

5. - si sobre la roca que se desea probar existe una capa de material de deposito o dearrastre que deba removerse al construir la cortina, convendrá quitarla del sitio de laprueba o bien ademarlo hasta empotrar el tubo en la roca de cimentación, si no haypeligro de derrumbes en ese tramo, sé podrá quedar sin ademe.

6. - Conviene usar como longitud del tramo 5 m. que comenzaran a contarse a partir de lasuperficie de terreno o boca de la perforación.

7. - Se avanzara la perforación hasta la profundidad de 5 m. y sé suspenderá. Se hará unlavado cuidadoso de la perforación usando agua y se extraerá la barrena.

8. - Sé introducirá el empaque que deberá quedar en este primer tramo de prueba,colocado cerca de la boca del pozo o sea cerca de la superficie del manto por probar. Sedeberá usar el tipo de empaque que mejor se adapte a la presión por soportar y a laconstitución del terreno, ya sea del tipo Neumático o mecánico.

Cuando la zona superior se cruza la perforación es e material de relleno o de roca muyalterada o agrietada conviene hacer más profunda la perforación y bajarle el empaquehasta alcanzar uno de los tramos de 5 m de longitud que permita la prueba. En el registrose anotara el tramo que no se haya admitido en la prueba.

9. - L presión máxima que debe aplicarse a cada tramo es difícil de determinarteóricamente. Sé a fijado como limite superior el de 10 kg/cm 2, pero al probar una rocageneralmente se tiene causas diferentes, provocadas p0or la misma prueba, que alteransu permeabilidad antes que se alcance esa presión. Puede suceder que a los 4 kg/cm2 por ejemplo, se produzca un lavado o destapado de grietas que aumente grandemente elgasto de absorción que sé venia observando; También puede producir ese aumento o unadislocación de la roca.

En algunos casos se observa que hay una obturación de los conductos de absorción porarrastre de material que efectúa el flujo a presión.



405

Cualquiera de estos cambios que se traducen con un aumento o una disminución de lapermeabilidad de la roca que se estudio, indica que a partir de la presión que la produce, ya las observaciones no deberán tomarse en cuenta para obtener la permeabilidadbuscada, sino solamente los gastos observados para presiones menores.

Puede suceder que las grietas de la roca probada, se encuentren rellenas de un materialarcilloso que permite un avance muy lento del agua detal modo, que hasta después demeses o años llegue a saturase esa arcilla y reblandecerse hasta hacerla deslavable porel flujo, produciéndose un aumento grande en la permeabilidad de la roca, con peligro nosolamente de perdidas importantes de agua, sino aun de la estabilidad de la estructura.Naturalmente este es un aspecto que debe estudiarse cuidadosamente como una de lasposibles alteraciones de la permeabilidad original de la roca, buscando la formaciónpractica en la que se obtendrá un inicio sobre el particular, mediante las pruebas depermeabilidad, haciendo intervenir como factor esencial la duración de la observación degasto correlacionado a presión.

Es necesario tomar en consideración que la permeabilidad que se desea obtener es la dela roca tal como se encuentra en la boquilla y que esta se cuantifica en U.L. que sesupone que no varía con la presión. Por ejemplo si la permeabilidad de la roca es de 8U.L. esta podrá obtenerse con un gasto de 0.8 litros por minuto y por metro de perforacióncon presión de 1 kg/cm2 o bien con un gasto de 1.6 Lts/min/m con P de 2 Kg/cm2, o de 3.2Lts/min/m. con P = 4 Kg/cm2, o de 8 lts/min/m. Con P = 10 kg/cm2 la alteración de lapermeabilidad de la roca durante la prueba, no significa que la pantalla de la cortina quese vaya a construir, al soportar una presión igual o mayor que la de la prueba, sufrirá unaalteración semejante pues en lo general son menos rígidas que las condiciones de trabajoque se tienen durante la prueba.

De acuerdo con lo anterior, salvo casos de presas de cortinas de más de 100 m. de alturamáxima, que serán motivo de estudios especiales la presión máxima de la pruebaconviene fijar la en los 10 Kg/cm2.

La presión durante la prueba la que tenga en el empaque de la prueba superior del tramoy será por lo tanto equivalente a:

HP = H1 + (H2 – Hf )

HP = Es igual a la carga que corresponde a la presión de prueba

H1 = Altura que corresponde marcada al manómetro.

H2 = Distancia vertical del manómetro al empaque.

Hf = Perdida por fricción del tubo alimentador desde el manómetro hasta el empaque.

Si se considera un nivel freático aguas debajo de la pantalla, a la carga H 2 en los tramosque queden debajo de ese nivel, habrá que disminuirle la carga Hn = al desnivel entre elnivel freático y el tapón del tramo a prueba.



406

Cada tramo se deberá probar con las presiones escalonadas de 1,2,4,6,8, y 10 kg/cm 2 enel empaque, deteniéndose cuando se observa una alteración profunda en la correlaciónde gasto a presión y luego se descenderá también por los mismos escalones hasta lapresión nula en cada caso se tendrá que estar determinando él termino H2 – Hf por el

gasto de prueba con él fin de que restado de HP ( 10, 20, 30m, etc.) se obtenga larespectiva H1 que dividida por 10 de la presión en Kg/cm2 que debe leerse en elmanómetro.

Para cada tramo probado de H2 es constante pero el H f varía con el gasto Bombeado,por lo que para encontrar el valor del gasto que corresponde a una presión dada habráque proceder por aproximaciones sucesivas por ejemplo:

Se va a probar al tercer tramo de la perforación, el cual tiene su extremo superior o sea elserrado por el empaque a la profundidad de H2 = 10 m.

Para la presión de prueba de 1 Kg/cm2 se bombeara el gasto requerido para levantar lapresión en el manómetro un poco menos de 1 kg/cm2 con este gasto se calcula la Hfcorrespondiente, por medio de ábaco, tabla o diagrama formada para el equipo que seuse, y sé vera si se satisface la condición de HP =H1 + (H2 –Hf ).

Si no se satisface, se aumentara o se disminuirá el gasto hasta encontrar el quecorresponda a la HP =1Kg/cm2.

10. - Con cada tramo de prueba se determinaran los valores de Q1 para la presión de 1Kg/cm2, de Q2 para 2 Kg/cm2, de Q4 para 4 Kg/cm2 , hasta que estos valores indiquenclaramente que se ha producido una alteración de importancia en la permeabilidad de laroca, debiendo después descender las presiones y encontrar los gastos correspondientes.

Por ejemplo:

Si a los 6 kg/cm2 se encuentra un gasto de absorción que indica alteración de lapermeabilidad de la roca, convendrá hacer todavía la observación con 8 Kg/cm2 ydespués se descenderá a 6, 4, 2,1, Kg/cm2 determinando los Q correspondientes a cadapresión, que generalmente son mayores o menores que las observadas con presiones deprueba ascendentes.

Para encontrar el gasto Q en litros por minuto que corresponden a una determinada cargade prueba, una vez establecido el régimen del gasto de absorción, se deberá tener enobservación por un tiempo que no será menor de 10 minutos.

11. - Sé deberá formar una grafica para cada tramo de pozo, poniendo en las abscisas losgastos correspondientes en litros por minuto y por metro de perforación, o sea la quintaparte del gasto en el tramo de 5m. y como ordenada las presiones de 1,2,4,6, etc. Kg/cm2.Esta grafica tendrá tantos puntos en sus ramas ascendentes y descendentes comoescalones se hayan hecho en la presión.



407

12. - En un material muy impermeable, es posible que en el primer tramo de 5m. se puedaaplicar la presión de 1Kg/cm2 sin producir dislocación, pero ya con 4 Kg/cm 2 es casisegura que habrá dislocación y que por lo tanto en la grafica se contara a lo más con dospuntos (1 y 2 Kg/cm2) para determinar la permeabilidad en U.L.

En el séptimo tramo de 5m es probable que pueda aplicarse las presiones de 1,2,4,6Kg/cm2 sin alterar la permeabilidad de la roca, por lo que en la grafica se contara conmayor puntos para fijar la permeabilidad del tramo U.L.

En lo general mientras más profundo sea el tramo probado hay mayores posibilidades decontar con más puntos en la grafica para determinar la permeabilidad correspondiente.

13. - mediante este procedimiento sé obtendrá grafica o numéricamente el gasto deabsorción expresado en Lugeones con los datos de gasto en lts/minuto/m y presion deInyectado ósea la línea que une el origen de la grafica con el punto gasto-presión de laprueba y prolongada hasta cortar la paralela al eje de las abscisas, con ordenada igual a10 Kg/cm2.

14. - Con las graficas correspondientes a cada tramo del pozo, se puede representartambién gráficamente la permeabilidad en cada uno de esos tramos y lo que podríallamarse permeabilidad media del pozo, pero con las presiones sucesivas quecorresponden a cada tramo en una perforación.

15. - Indudablemente la interpretación de los resultados de estas pruebas es lo másimportante de ella, que deberá hacerlas un geólogo con criterio amplio, experiencia yconocimientos sobre el particular.

No deberá esperarse una exactitud y concordancia en los resultados de las pruebas queno la pueden tener, por la misma índole del problema, pero seguramente será posibleconseguir información valiosa sobre la calidad de permeabilidad del subsuelo en suaprovechamiento como cimentación de una cortina en la construcción de una presa,dando indicaciones relativamente precisas sobre la factibilidad de aprovechar una boquillay en caso afirmativo sobre el tratamiento requerido de la cimentación de la cortina.

16. - Hay una marcada tendencia a evitar el uso alternativo de los equipos de perforacióny de los inyectados para un mismo pozo de prueba de permeabilidad, tanto por el tiemporequerido como por el costo. Por el procedimiento recomendado para la determinación dela permeabilidad, por medio de progresiones, es posible que se tengan resultados másconcordantes, por lo que tratándose de exploraciones geológicas, será deseable seguirlo.

Si no obstante lo antes expuesto, se desea hacer primero la perforación y luego ladeterminación de la permeabilidad por el procedimiento de empaques, se podrá procederpara cada tramo de prueba, designado por números ordinales de abajo hacia arriba, de lamisma forma antes indicada, solo que, con excepción del primer tramo que estará limitadoen su extremo inferior por el fondo de la perforación, todos los demás tramos quedanlimitados en ambos extremos, superior e inferior, por empaques cuya separación fija lalongitud del tramo.



408

Es también frecuente la tendencia a usar tramos de prueba, ya sea que se emplee, elprocedimiento de progresiones o de empaques, con una longitud mayor de 5m. Tambiéncomo una simplificación del procedimiento. Siempre el gasto de absorción que se usaraserá el correspondiente a litros por minuto por metro de perforación.

INTERPRETACIÓN DE LOS VALORES NUMÉRICOS EN PRUEBAS DEPERMEABILIDAD.

PRUEBAS LEFRANC.- La mecánica de la prueba Lefranc, consiste en medir la velocidadde un flujo laminar de agua a través de un terreno con porosidad intergranular. Se aplicanpara materiales con porosidad primaria: Tobas arenosas, areniscas, conglomerados yrocas alteradas.

K= 10- – 10- Cm/seg. ImpermeableK= 10- Cm/seg Poco impermeableK= 10- Cm/seg Permeable

K= 10

-

, 10

-

y 10

-

Cm/seg. Muy permeable.PRUEBAS LUGEON.- Se aplica para rocas con porosidad secundaria. La unidad Lugeon(UL) es el gasto por minuto en un metro de longitud en el tramo de prueba bajo loapresión de 10 Kg/cm2.

0-3 UL Impermeable3-11 UL Poco impermeable11-25 UL Permeable25-40 UL Muy permeable.> 40 UL Altamente permeable

POROSIDAD PRIMARIA.- La porosidad primaria es inherente a la formación de la roca,es decir, que al sedimentarse las partículas constituyentes de las rocas o suelos, quedanespacios entre las mismas pudiendo estar comunicados o no unos con otros, siendopermeables en el primer caso e impermeables en el segundo caso.

Por ejemplo de material y rocas con porosidad primaria tenemos: Depósitos lacustres,tobas arenosas, arenas, areniscas, conglomerados y gravas (acarreos).

POROSIDAD SECUNDARIA.- La porosidad secundaria se origina después de consolidadla roca. Se induce por esfuerzos de compresión y esfuerzos cortantes que actúan sobre la

masa rocosa.

La porosidad secundaria se produce en fracturamientos y fisuramientos siendo máscomún en las rocas ígneas como basaltos riolitas granitos etc.



409

SECRETARÍA DE RECURSOS HIDRÁULICOS

DIRECCIÓN DE GEOLOGÍA

PRUEBAS DE PERMEABILIDAD TIPO LEFRANC

REGISTRO PARA OBSERVACIONES

FLUJO CONSTANTEInyección gasto constante Boquilla: LAS PILAS, NAY.

Pozo No. III A(v) Estación D+380 Elev. T.N. Prueba No. 2

Fecha: 27 de enero de 1989 Prueba ejecutada por: Ing. Juan Gutiérrez.Tramo: 8.00 a 13.00 m C.F.= Cámara filtrante L= 5.00mD= Diámetro de tubería (NX) 0.0732m

M.F.= Superficie del manto freático. 1.82m

p= Dist. Del T.N. a la boca del ademe0.90m

ho= Dist. Centro C.F. al manto Imp. ó M.F. --m

CAUDAL APLICADO Y CARGAOBSERVACIONES

1 2 3 4 5

Volumen agregado lts. 17.37 25 42.85 52.94 69.23

Tiempo de observación seg. 180 180 180 180 180Q= gasto de pruebanlts/seg.

0.0986 0.1389 0.238 0.2941 0.3846

Z= Prof. M.F. ó centro C.F. m. 2.72 2.72 2.72 2.72 2.72

h= Prof. Nivel estable m. 2.135 1.835 1.35 0.69 0

H= carga 0.585 0.885 1.37 2.03 2.72

D

T.N.

h

H

h'oH'

L

Manto Imp.

ho

Zo

Z'o

M.F.

P

Q

0.1 0.2 0.3

Q lts/seg.

H

C a r g

a e n m .

0.1

0.2

0.3

H'= Carga cuando no se tenga M.F.h'o= Se tomará cuando no se tenga Manto Imp.Z'o= Prof. del centro C.F. cuando no se tenga M.F.

+1

+2

4+

+5



410

SECRETARÍA DE RECURSOS HIDRÁULICOSREGISTRO DE CÁLCULO DE PERMEABILIDADFLUJO VARIABLE EN TERRENOS SOMEROS

Localización: Boquilla "El Salto", Tamps.Pozo No. 1120

P r u e b a s

O b s e r v . H1

P-h1

m

H2

P-h2

m

H1-H2

?H

m

H

H1+H2 2

C

m-1

m2

A

2CA T2-T1

seg.

?T

?H/?T ?H/?T H

H/? T H

2CA

m/seg

K

cm/seg

1° 1

2

3

4

5

5.000

4.430

4.115

3.926

3.787

4.430

3.787

3.926

4.115

3.965

0.315

0.189

0.139

0.092

0.570

4.272

3.741

3.856

4.020

4.715

0.145

0.165

0.160

0.155

0.135 0.0182

0.0182

0.0182

0.0182

0.0182

0.00528

0.00564

0.00582

0.00600

0.00491 300

300

300

300

300 0.000306

0.000463

0.000630

0.00105

0.00190

0.000082

0.000120

0.000158

0.000246

0.000403

0.000000491

0.000000698

0.000000891

0.00000180

0.00000198

4.91x10

6.98x10

8.91x10

1.30x10

1.98x10

Esf: 0+120 Elev:

Pozo No. Esf: Elev:

Pozo No. Esf: Elev:



411

PRUEBAS LEFRANCBOMBEO GASTO CONSTANTE

Bomba

Válvula de paso

Descarga

Medidor devolúmenes integrador

Sonda eléctrica

Tubo de protecciónde sonda.

Terreno natural

Manto freático

Nivel estable

Camarafiltrante L

Fondo de laperforación.

h

Zo

H Zo'

h= Profundidad del nivel estable de aguadurante la prueba con flujo constante.

H= carga cuando el nivel freático está arribdel centro de la camara filtrante.



412

FLUJO CONSTANTEInyección gasto constante

T.N.

Q

Manto Imp.

M.F.

Q

M.F.

T.N.

Zo

h'

Nivel EstableH

D=2r

L

h'o

ho

CON MANTO FREÁTICO YMANTO IMPERMEABLE

Zo

h'

H

D=2rh'o h'o

L

CON MANTO FREÁTICO

SIN MANTO FREÁTICOCON MANTO IMPERMEABLESIN MANTO FREÁTICO Y

Manto Imp.

ho

L

Nivel Estable

Q

T.N.

D=2r

h'

Z'oH

Z'o

L

HD=2r

T.N.h'

Q



413

FLUJO CONSTANTECombo gasto constante

CON MANTO FREÁTICOMANTO IMPERMEABLE

CON MANTO FREÁTICO Y

h'oh'o

Manto Imp.

ho

L

Nivel Estable

Q

T.N.

M.F.

Zo

D=2r

h'

H

L

D=2r

Q

Zo

M.F.

T.N.

H

h'

h'o

K=CQ

H

K en m/seg.

C en m-1

Q en m /seg.3

H en m. H=Z'o - h'Corrección a C por cercanía dela prueba al fondo impermeableó a la superficie del mantofreático.

CC=8ph'o

1(adicional)

C=

log

4p r

L

D

+

D

L(2

+1

(tabla 2)

(tabla 2A)C=L

+log

DL

0.366( L + D

2 2

LD(

Q en lts/seg

H c a r g a e n

m .

0

GRÁFICA EN ENSAYOS

+

+

+

+



414

PRUEBA DE PERMEABILIDAD TIPO LUGEONESQUEMA DE EJECUCIÓN CON DOS EMPAQUES

ManómetroMedidor deagua

Manguera

Descarga

Tanque de controlde presiones

válvula Bomba

Nivel Freático

Terreno natural

H2

Hn

D

Empaque

Tramo por probarTubo perforado

Empaque

Tramo probado

Hp. = H1+H2+Hf Hp = Carga correspondiente a la presión de la prueba.

H1 = Altura que corresponde a la presión marcada en el manómetro.H2 = Distancia vertical del manómetro al empaque.Hf = Pérdida por fricción en el tubo alimentador desde el manómetro hasta el empaque.

Nota : Cuando no exista manto freático se tomara H2 como carga en kg/cm2 para obtenerHp, en caso contrario se utilizará H2-Hn en kg/cm2.



415

SECRETARIA DE RECURSOS HIDRÁULICOS

PRUEBAS DE PERMEABILIDAD

REGISTRO DE CAMPO

________________de_________Río_____________________Edo. De__________________

____________Pozo No._____________D=NX_______Tramo de : 3.25 a 8.25 L= 5.00

PRESIONES ASCENDENTESPRUEBA

MEDIDOR AGUA TIEMPO GASTO MANÓMETRO COLUMNA FRICCIÓN

LECTURAS Q H1 H2 Ht Hp

LITROS MINS. 1/MIH/M kg/cm2 METROS

FINAL: 1200 1 min. 73 2.175 0.325 0.079 A 2.365

INICIAL: 0 2.5D 2.39

v / TRAMO: 1200 10 120 2.254 0.207 2.5

FINAL: 1000 1min. 63 4.675 0.325 0.068 A

4.916INICIAL: 0 5

D 4.916

v / TRAMO: 1000 10 100 4.735 0.143 5

FINAL: 1920 1 min. 183 7.175 0.325 0.477 A 7.475

INICIAL: 0 7.5D 7.428

v / TRAMO: 1920 10 192 7.652 0.503 7.5

FINAL: 1683 1 min. 147 9.675 0.325 0.292 A 9.888

INICIAL: 0 10D

v / TRAMO: 1683 10 168.3 9.967 0.40360

FINAL A

INICIALD

v / TRAMO 80

FINAL A

INICIALD

v / TRAMO 100



416

PRUEBAPRESIONES DESCENDENTES

MANÓMETRO COLUMNA FRICCIÓN MEDIDOR DE AGUA TIEMPO GASTO

Hp H1 H2 Ht LECTURAS Q

METROS LITROS MINUTOS 1/MIH/M

A 2.365 2.175 0.325 0.06 FINAL 1 min. 64

2.5 INICIAL

D 2.39

2.5 2.235 0.169 v / TRAMO 1800 10 108

A 4.916 4.675 0.325 0.06 FINAL 1 min. 67

5 INICIAL

D 4.916

5 4.735 0.143 v / TRAMO 980 10 98

A 7.475 7.175 0.325 0.38 FINAL 1 min. 167

7.5 INICIAL

D 7.428

7.5 7.555 0.452 v / TRAMO 1825 10 182.5

A 9.888 FINAL

10 INICIAL

D

60 v / TRAMO

A FINAL

INICIAL

D

80 v / TRAMO

A FINAL

INICIAL

D

100 v / TRAMO



417

.- Cuantificación aproximada por extrapolación.A.-Cuantificación analítica.N.D.A.-No determinado analíticamente.SIGNOS CONVENCIONALES

Tramo

.

-+

a

a

a

prob.

a

5m

Zona impermeable, condestaponamientos parciales

sucesivos a (x) kg/cm2 y obturaciónde sus ductos en su gamadescendente.

Permeabilidad en U.L. 0.0 yN.D.A.- Interpretación.

+

Zona impermeable. Se observa de

taponamiento parcial a (x) kg/cm2 yobturación de sus ductos en gamadescendente.

+Permeabilidad en U.L. 0.0 yN.D.A.- Interpretación.

Zona impermeable, con pequeño

destaponamiento a (x), kg/cm2;gama descendente manifiesta

obturación de sus ductos.

+Permeabilidad en U.L. 0.0 yN.D.A.- Interpretación.

10

Indica cuando la gráfica es N.D.A.

Trazo de presiones descendentes.Trazo de presiones ascendentes.

140120100806040200

Recta de extrapolación.*

.

0

5

200180160

Q

EST.-ELEV.-

POZO No.-BOQUILLA.-

Formación.Rec. en %

-

5

10

5

10

Formación.

Rec. en %

Formación.

Rec. en %

-

Rec. en %

Formación.

-

A

A

A

Zona impermeable.

Permeabilidad en U.L. 0.0 yN.D.A.- Interpretación.

DATOS DEL TRAMOPROBADO

5

cm2kg

PGRÁFICA

A

-+



419

la roca, remover los bloques sueltos, limpiar grietas y rellenarlas con mortero o inyectar laparte superior de la formación.

En el caso de suelos blandos podrá ser necesario mejorar sus propiedades mecánicas,mediante alguno de los procedimientos, y en suelos aluviales cuando el gasto a través de

ellos excede al permisible o su espesor tiene una magnitud tal que económicamente no esconveniente su remoción, se forma una pantalla que reduzca a límites aceptables el flujode agua a través de ellos.

Con el fin de disminuir la posibilidad de que ocurran asentamientos diferenciales en lacortina, ciertas boquillas requieren la modificación de las pendientes en sus laderas; siestas presentaran divergencias hacia aguas abajo se ejecutaran excavaciones en ellas,con el fin de evitar condiciones adversas en el contacto del núcleo impermeable.

La definición precisa de los trabajos y cantidades do obra por ejecutar es, sin duda, difícilen estos casos, ya que es regla casi sin excepción que sólo al realizar la limpia superficialdel sitio se conozca la extensión de los trabajos; siendo frecuente la introducción decambios significativos para el programa de construcción y la economía de la obra.

Limpia Superficial

La remoción de la vegetación, suelo orgánico y depósitos de talud que sobreyacen a unasuperficie apta para el desplante de las estructuras es indispensable en todo sitio de lapresa. Si el desplante se realizara sobre roca, será necesario remover la que se encuentremuy fracturada, así como aquella quo tenga un alto grado de intemperización o alteraciónquímica, para que, de esta manera, se asegure que el material impermeable quede encontacto directo con roca sana.

La limpia gruesa se realizará con tractor o excavadoras y se complementara, en las zonasdel corazón y filtros, con un trabajo de detalle hecho con pico o martillo neumático;posteriormente, deberá limpiarse la superficie expuesta, mediante el uso de agua y aire apresión lo que permitirá localizar con mayor facilidad las fisuras, grietas y juntas de menorimportancia pera su debido tratamiento.

Al terminar los trabajos de limpia y tener descubierta la roca se procederá al tratamientode las grietas u oquedades importantes y a la remoción de aquellos materiales débiles,inestables o permeables tales como arcillas, arenas y gravas que constituyen su relleno,con objeto de sustituirlo con concreto simple. En caso necesario, en cada una de lasgrietas u oquedades deberá efectuarse un inyectado de mezclas de agua-cemento-bentonita-arena en el contacto entre el concreto y la roca de cimentación.

En los casos de sistemas de fracturas de menor importancia se debe intentar sellarlasmediante el uso de un mortero de cemento y arena. La relación agua sólidos de estasmezclas podrá variar de acuerdo con la abertura de las fracturas por tratar.

En caso de encontrar superficies muy agrietadas o roca con alta susceptibilidad a laintemperización, podrá ser necesario recubrirlas con mortero o con una losa de concretohidráulico. El objetivo de este tratamiento, es evitar concentraciones de flujo de agua a



420

través de las grietas y por la superficie de contacto entre la roca y el materialimpermeable, así como de evitar la alteración progresiva de la roca de desplante.

Trabajos de Regularización

Esta fase del tratamiento superficial de la cimentación tiene por objeto corregir ladivergencia de las laderas hacia aguas abajo y el perfil transversal de la roca, eliminandodesplomes y escalones. Estas correcciones se realizan en el área de desplante delcorazón impermeable y filtros; generalmente se hacen en la limpia gruesa, eliminandobloques de roca inestables que puedan constituir un peligro durante la construcción yretirando aquellos que pudieran producir concentración de esfuerzos y asentamientosdiferenciales.

Divergencia de Laderas

Cuando los empotramientos en el sitio de una presa se abren hacia aguas abajo y laboquilla está ubicada en un cañón estrecho, las condiciones de apoyo del corazónimpermeable son desfavorables porque, un desplazamiento en la dirección del río tiende adespegar la estructura de tus laderas. En estos casos es recomendable:

a) Buscar una localización mas apropiada del eje.

b) Cambiar la orientación del eje, cuando ello conduce a una mejor posición de la traza delnúcleo en el empotramiento.

c) Realizar excavaciones en las laderas para evitar la condición inicialmente anotada.

En general, una combinación de las alternativas anteriores da los resultados másconvenientes. La revisión en el diseño se deberá efectuar una vez terminada la limpia dela cimentación y obtenida la topografía real del sitio.

Corrección del Perfil Transversal

Es frecuente que al término de la limpia superficial se encuentren secciones transversalescon cambios bruscos de pendiente o desplomes en la boquilla. En ambos casos, si no sehace ningún tratamiento, es posible que se produzcan grietas por asentamientosdiferenciales en el corazón impermeable. Las soluciones más económicas a esteproblema consisten en excavaciones, rellenos de concreto o reposición de la roca porconcreto para obtener una superficie de apoyo mas regular en el corazón impermeable. Afin de minimizar el tiempo y costo de estos trabajos la topografía de las áreas que vayan aser afectadas por la regularización deben ser cuidadosamente ejecutadas.

Escalones y Depresiones

La presencia de cambios bruscos de pendiente, aunque sean locales, pueden ser lacausa de agrietamiento del núcleo impermeable. Se aceptan escalones menores de 2mde altura y 1.0 m de huella y, en tales casos, se especifica que el material adyacente alcontacto núcleo-roca sea un suelo plástico compactado con pisones neumáticos. Por otra



421

parte, el ángulo máximo permisible entre los taludes de excavación y un plano horizontales de 70°.

TRATAMIENTO DE CIMENTACIONES EN ROCA

Las obras que realiza la SARH para el almacenamiento de agua, generalmente tienencomo objetivo el cambio de régimen natural del escurrimiento de las corrientessuperficiales, para satisfacer el consumo necesario en distritos de riego y en zonasindustriales y urbanas.

Dentro de esas construcciones, frecuentemente es necesario realizar el tratamiento de lacimentación de la cortina y estructuras auxiliares, con el propósito de impermeabilizar,cuando sea necesario realizar el tratamiento de la cimentación de la cortina y estructurasauxiliares, con el propósito de impermeabilizar, cuando sea necesario y mejorar laresistencia del macizo rocoso. Para ello se requiere contar con una guía tanto para laformulación de los programas en oficinas centrales, como para ejecutarlossatisfactoriamente en el campo.

En el diseño y ejecución de los programas de tratamiento, intervienen muchos factoresque hasta la fecha no se han podido identificar plenamente en virtud de su complejidad yvariabilidad.

En este capítulo se aborda la práctica de las inyecciones a base de agua-cemento-bentonita, fundamentalmente, utilizada como medio para mejorar las propiedadesmecánicas de la cimentación en roca. Se tratan los principales factores que debenconsiderarse para definir el tratamiento requerido, efectuar el programa de trabajo y suforma de realización. Debido a que el conocimiento de las inyecciones no sólo loconstituye el elaborar las especificaciones respectivas, también se discute el equipo deconstrucción más usual y los criterios en campo para evaluar los resultados de lostrabajos ejecutados.

Generalidades

Uno de los problemas con mayor grado de dificultad en el diseño de presas dealmacenamiento, es el trabajo de inyectado de una cimentación en roca.

En su concepción más amplia, este tipo de trabajos, puede definirse como la introducciónde un fluido a presión de sólidos en suspensión o de productos químicos en solución enlos vacíos, fracturas, fisuras, diaclasas, juntas y planos de estratificación que existen enuna roca de cimentación. Esto tiene el objeto de:

-Reducir su permeabilidad-Mejorar su resistencia-Proporcionar un contacto continuo de las estructuras entre sí o de las-estructuras con el suelo o con la roca.En esta primera parte del capítulo, dedicado a los trabajos de inyección en rocas, sepresentan los principales tipos de tratamientos de cimentación. Las aplicacionesespecializadas, como aquéllas en que se utilizan productos químicos, no son tratadas en



422

este Manual, por lo que el lector interesado en ello, deberá recurrir a la bibliografíaespecializada.

A continuación se abordan los criterios usuales para identificar la necesidad del inyectado,basados en las características de permeabilidad del macizo rocoso y a la finalidad del

propio tratamiento. Se presentan también algunos aspectos geotécnicos que sonimportantes de considerar para la elaboración del programa de trabajo.

Tipos de tratamiento

La construcción de obras hidráulicas que la SARH ejecuta, da gran importancia a lainyección en roca de cimentación, debido a que, desde el punto de vista mecánico de lacimentación, se requiere que la obra se comporte tal como fue concebida.

Las principales aplicaciones de productos o mezclas inyectables a presión, en lasfracturas de un macizo rocoso, se encuentran dentro de los grupos siguientes:

Pantallas profundas de impermeabilización.Tapetes de consolidación.Inyección de contacto entre las estructuras de concreto y rocaInyección de empaque entre el concreto de revestimiento de un túnel y las paredes de laexcavación.Relleno de grandes oquedades.

Pantallas Profundas

Las pantallas profundas se realizan mediante la inyección de mezclas a través debarrenos perforados, en una o varias líneas, a partir del nivel de desplante de laestructura, con objeto de formar una barrera impermeable que reduzca a límitesaceptables la filtración del agua almacenada en el embalse de la presa. Algunas veces enlas laderas, cuando la altura de la presa excede a 50.0 m o cuando las laderas tienenfuertes pendientes, es usual excavar galerías de longitud variable para efectuar elinyectado y el drenaje eventual a través de ellas.

En presas de materiales graduados la pantalla se ejecuta a lo largo del eje de la cortina oen el primer tercio hacia aguas arriba, tomando como punto de partida dicho eje.Usualmente se construye en un plano vertical con barrenos verticales o inclinados endicho plano o, en ocasiones, puede formarse en un plano inclinado hacia aguas arriba.

En presas de enrocamiento con su elemento impermeable colocado en el talud de aguasarriba, la pantalla profunda se inicia a partir del desplante de dicho elemento a todo lolargo de la cortina. También, como en el caso anterior, la pantalla puede formarse en unplano vertical o en uno inclinado hacia aguas arriba.

En presas de concreto (gravedad, arco o contrafuertes) la pantalla se coloca bajo eldentellón de aguas arriba, en un plano vertical o inclinado hacia aguas arriba, a todo lolargo de la cortina. Usualmente, en este tipo de estructuras el tratamiento a base deinyecciones se complementa con un drenaje por medio de pozos perforados, a través de



423

galerías construidas aguas abajo de la pantalla profunda, para tal fin, una vez terminadoslos trabajos de inyectado. Lo anterior se presenta esquemáticamente en la figura IV-3.1.1.1-1.

Tapete de Consolidación

Cuando se trata de una presa de materiales graduados o del área de desplante de unaestructura de concreto, Fig IV-3.1.12.-1, el tapete de consolidación se realiza mediante lainyección de mezclas a través de barrenos perforados en los vértices de una cuadrículaque cubre toda el área de desplante del núcleo impermeable.

La finalidad de este tapete es, por una parte, consolidar o mejorar las características deresistencia de la roca sobre la que se apoya directamente la estructura y, por otra,impermeabilizar en cierta medida la roca superficial, formando un techo que dará apoyo ala inyección de la pantalla profunda; con ello se disminuyen las resurgencias de lasmezclas cuando éstas se aplican a altas presiones para la formación de una pantalla. Elinyectado del tapete se realiza, por lo general, a bajas presiones (de 1.0 a 2.0 kg/cm 2).

Inyección de contacto entre estructuras de concreto y roca

Esta forma de inyección de mezclas se realiza por medio de boquillas instaladas a travésde una estructura de concreto, en el área de contacto adecuado entre dicha estructura y laroca de cimentación. Usualmente los barrenos penetran como máximo hasta 1.0 m dentrode la roca, Fig. IV-3.1.1.3-1.

La liga que proporciona la inyección de la mezcla, impide la filtración de agua por dondese hace el contacto entre la estructura y la roca en que se apoya.

Una condición para que este tratamiento cumpla con su finalidad, es cuidar que la mezclaque se aplique sea estable. La presión máximo admisible, sería la correspondiente al pasopor unidad de área, del bloque de concreto por arriba del nivel de desplante.

Este inyectado de contacto se utiliza también cuando por medio de un conducto deconcreto se desvía el río y se requiere evitar o disminuir las filtraciones entre el ducto y laroca en la que se alojó.

Inyección de empaque en túneles

En este tratamiento la inyección de mezclas se realiza a través de barrenos perforadosque penetran como máximo 1.0 m, después del revestimiento de concreto, dentro de laroca que constituye las paredes y la clave de la excavación, a lo largo del eje del túnel.

En estos casos es usual la aplicación de morteros, formados con agua-cemento-bentonita-arena, para obtener un relleno más económico entre las paredes de la roca y elconcreto de revestimiento. Con ello se reducen las filtraciones hacia el interior del túnel yla posible carga hidrostática sobre el mismo.



424

Para este tratamiento se requiere también la aplicación de mezclas estables, con objetode que los vacíos que se produzcan cuando se solidifiquen la mezcla, sean mínimos. Laspresiones de inyección que se aplican en este tratamiento, varían entre 1.0 y 2.0 kg/cm 2,Fig IV-3.1.1.4-1.

Relleno de grandes oquedadesEl relleno de grandes oquedades, como aquéllas que se producen en una cimentaciónconstituida por roca cárstica, es uno de los tratamientos de inyección más difíciles ymenos estandarizados. Sin embargo, se tiene experiencias en otras partes del mundo detratamientos exitosos a base de mezclas de agua-cemento.

Dado que con el programa de exploración de una presa es improbable que se detectenlos problemas de cavidades subterráneas, resulta probable se encuentren en etapasposteriores; por lo que se hace necesario ejecutar una serie de exploraciones adicionales,apoyadas en sondeos geofísicos para definir con mayor precisión la geometría de lascavidades formadas por disolución.

En estos casos, es usual que se rellenen estas discontinuidades con morteros o inclusocon concretos elaborados con granzón, los que se aplican por medio de barrenos hastade 10" de diámetro.

En la mayoría de los casos el tratamiento se realiza con aplicaciones espaciadas demezclas, dando la oportunidad a que éstas fragüen y taponen sistemáticamente lascavidades sin presentar amplios recorridos.

Como es de esperarse las presiones, mezclas y procedimientos para este tipo detratamientos, no pueden establecerse sino hasta que se defina la magnitud ycaracterísticas del problema por enfrentar.



425

RELLENO CON MORTERODESPUES DE HABER EXTRAIDOEL EMPAQUE

EMPAQUE MECÁNICO

LÍNEA "A"

LÍNEA "B"

NOTA: ACOTACIÓN EN CM.

PERFORACIÓN PARAINYECTADO QUE SE REALIZAPOSTERIORMENTE AL COLADO

DEL REVESTIMIENTO

20.00

40.00

DETALLE "X"

4 0 .0 0

1 5 .0 0

200.00

LÍNEA "A"

JUNTA DE CONSTR.

20.00

200.00

LÍNEA "B"

5 0 . 0

0

INYECCIÓN DE EMPAQUE EN EL TÚNEL

DETALLE "X" 1 0 . 0 0

4 5 ° 4 5 °

EJE DEL TUNEL

4 0 0 . 0

0

2 0 0 . 0

0

0.15

50.00

2 0 0 . 0

0



426

50.00

C O N C R E T O A R M A

D O

P E R

F I L P O R E L E J E D E L A O B R A D E T O M A

5 0 . 0

0

R E L L E N O

D E

M A T E R I A L

5 0 . 0

0

1 0 0 . 0

0

T O M A

E J E D E L A O B R A D E

E S T R U

C T U R A S D E C O N C

R E T O Y R O C A .

I N Y E C C I Ó N D E C O N T A C T O E N T R E

R O C A

P R I M E R A

E T A P A .

R E S P E C T O A L A

S E P A R A C I Ó N ,

1 . 5

0 M

D E

E T A P A S E

C O L O C A N A

D E L A P R I M E R A

N O T A : L O

S B A R R E N O S

I E T A P A

F R A C T U R A D A

150.00 50.00 100.00

I N Y E C C I Ó N

D E

B A R R E N O S

I I E T A P A

I I I E T A P A



427

Tapete de consolidación presa ―LA LABORCITA‖ Guanajuato. FIG IV-3.1.1.2-1



428

2.00 M

ACEPTABLE

1 M MAX.

CONCRETODEINYECCIÓN

CONCRETO

DEL PERFIL DE EMPOTRAMIENTO.ESCALONES Y CORRECCIONES

TRATAMIENTO SUPERFICIAL DE

0.36

1

0.25 M

1 .0 0 M

CONCRETO

INYECCIÓN

0.25 MCONCRETO

EXCAVACIÓN

DE

0.35

1

70° MAX.

ACEPTABLE

MAX. 1 M

<70°

MAX. 1.5 M

90°

<70°

90°

<70°

0.25 M

=70°

TALUD Y LA HORIZONTAL.= ANCHO MÁXIMO ENTRE EL

0.35

10.25 M

70° MAX.

CONCRETO

0.25 M

CONTACTODE

INTECCIÓN

<70°

0.361

CONTACTODEINYECCIÓN

0.25 M

EXCAVAR

EXCAVACIÓ



429

EL MATERIAL ES SUCEPTIBLE A LA

RESISTENCIA PARA FACILITAR ELSUPERFICIAL TIENE SUFICIENTELA SUPERFICIE O LA ROCA

ESTABILIDAD DE LAS PAREDES DE LOS POZOS

LOS POZOS NO SE

ELIMINANDO EN FORMALOS ESFUERZOS SE HAN IDO

PROPIEDADES FÍSICAS

JUNTAS, TIPO DE ROCA Y

ES SUCEPTIBLE A LA TUBIFICACIÓN.

EL MATERIAL, QUE SELLA LAS JUNTAS NO

RELLENO CON MATERIAL BLANDO EN JUNTAS

UNIFORMES

DERRUMBAN

NATURAL

INYECTADO.

ROCA, INTRUSIONES Y

INYECCIÓN.

HOMOGENIDAD

FALLAS.

FACILIDADDERRUMBAN CONLOS POZOS SE

PUEDE MOVERSESUPERFICIALLA ROCA

ESFUERZOS TECTÓNICOS

LA ROCA ESTA SUELTA.

DIFERENTES TIPOS DE

JUNTAS IRREGULARES

DURANTE LA INY.

ESFUERZOS REGULARES

RICOS

Efectos de la geología sobre el inyectado.

MARGEN IZQUIERDA

CONCRETODERELLENO

EXCAVACIÓN

MARGEN DERECHA

Relleno de concreto y excavación bajo el corazón impermeable.



430

C R I T

E R I O

A M E

R I C A

N O R O C

A D E

E I L ( 0

. 2 0 k g / c m 2 / m. l.

)

C R I T E

R I O A M

E R I C

A N O R O

C A D E

C O N D I

C I O N E S

P R O M

E D I O

( 0. 3 0 k g

/ c m 2 / m

. l. )

PRESIONES MÁXIMAS DE INYECCIÓN

30.00.0

4.0

3.0

2.0

1.0

0.0

P R E S I O N E S E N k g / c m

2

11.0

10.0

9.0

8.0

7.0

6.0

5.0

C R I T E R

I O A

M E R

I C A N

O ( 0

. 2 3 k g

/ c m 2

/ m. l. )

15.00.03.0 9.0 12.0

PROFUNDIDAD EN METROS

16.0 21.0 24.0 27.0

C R I T E R I O

A M E R I C A N O

R O C A

S A N A

( 0 . 4 6

k g / c

m 2 /

m . l . )

C R I T E R I O

E U R O P E O

1 b a r

/ m l ( 1

. 0 1 9

k g

/ c m 2 / m

. l . )

33.0 36.0 45.042.039.0

14.0

13.0

12.0

Gráfica 8. Figura IV-3.2.6-1



431

Pantalla Vertical Típica.La pantalla deberá pasar a

CORTINA DE ARCO DE GRAVEDAD

Perforaciónde drenajeen lacimentación.

Posicióntípica depantalla.

Límites usuales paralocalización de pantalla.

de cimentación.Perforación para drenaje

Posición típica de pantalla.localización de pantallaLímites usuales para

CORTINA DE ARCO DE GRAVEDAD

La pantalla deberápasar a través de unaparte que seencuentra comprimidapermanentemente.

través de una parte que se

permanentemente.encuentra comprimida

Perforaciónde drenajeen lacimentación.

CORTINAS DE CORAZÓN IMPERMEABLE

Límites usuales paralocalización de pantalla

Pantalla Vertical Típica

localización de pantallaLímites usuales para


CON LOSA DE CONCRETOCORTINA DE ENROCAMIENTO

Corazón

CORTINA DE CONTRAFUERTES


localización de pantallaLímites usuales para

Corazón

Posiciones usuales de pantallas profundas en diversos tipos de cortinas. Fig. 1V-3.1.1.11



432

EFECTOS DE LA GEOLOGÍA SOBRE EL INYECTADO

CON INCLINACIÓN PARALELA ONORMAL A LA SUPERFICIE.

GRIETAS MUY PROXIMAS O POCOESPACIADAS

ESTAS CONDICIONES EXTREMASUSUALMENTE DIFICULTAN LA

INYECCIÓN.

5 mm.

CON INCLINACIÓN MUY DISTINTAA LA SUPERFICIE.

3

2

ABERTURA DE LAS JUNTAS

ORIENTACIÓN DE JUNTAS ABIERTAS

GRIETAS AMPLIAMENTEESPACIADAS

ESTAS CONDICIONES EXTREMASUSUALMENTE FACILITAN LA

INYECCIÓN.

1

ESPACIAMIENTO DE LAS JUNTAS ABIERTAS

2 mm.



433

A

TIEMPO DE MEZCLADO:15 SEGUNDOS.

CORTE A-A'


RODILLOS DE HULE

TIPO BACHY

A'

TIPO COLCRETO

TIPO CEMIX

ROTOR

VÁLVULA DE CONTROL


ROTOR

VÁLVULA DE CONTROL

Gráfica 10. IV-3.3.21-1



434

6 . -

B O M B A S

D O B L E P I S T O N P A R A M E Z C L A S F L

U I D A S Y

A L T A S P R E

S I O N E S .

T

U B E R Í A

REGEN

4

2

3

2 1

2 . -

B Á S C U L

A C O N C A P A C I D A D S U F I C I E N T E P A R A L A

D E M A N D A .

5 . -

B O M B A S

M O Y N O P A R A M E Z C L A S P E S A D A S

Y B A J A S

P R E S I O N E S

.

1 . -

D I G E S T O

R D E B E N T O N I T A C O N M O T O R E L É

C T R I C O ,

A D A P T A D O

C O N B O M B A C E N T R I F U G A D E A L T A V E L O C I D A D

( 1 5 0 0 R P M ) .

3 . -

T U R B O M

E Z C L A D O R E Q U I P A D O C O N M O T O R

E L É C T R I C O

D E A L T A V

E L O C I D A D ( 1 5 0 0 R P M ) .

4 . -

T A N Q U E

S A G I T A D O R E S C O N C A P A C I D A D M

Í N I M A D E 2 0 0

L T S .

C A D A

U N O ,

E Q U I P A D O S C O N M O T O R E L É

C T R I C O Y

V E L O C I D A D D E 6 0 R P M .

4

A

R R E G L O E S Q U E M Á T I C O D E E Q U I P O

D E I N Y E C T A D O

M E Z C L A S

O B R A N T E

D E L I N Y E C

T A D O P A R A

S U R E D I S T

R I B U C I Ó N .

T U B

E R Í A D E R E T O R N O

7

7 . -

T U B E R Í A S P A R A I N Y E C C I Ó N Y R E T O R N O D E

T U B O

G A L V A N I Z A D O D E 2 " D E D I A M E T R O .

C O P L E S , M

A N G U E R A S ,

E M P A Q U E S

Y D E M A S A D I T A M E N T O S P A R A E L

I N Y E C T A D O .

6

5

T U B E R Í A

D E I N Y E C T A D O

7

A L O S B A R R E N O S P O R

I N Y E C T A R



435

CAPÍTULO 15

DISEÑO Y CONTROL DEL INYECTADO EMPLEANDO EL PRINCIPIO “GIN”

EL METODO “GIN”

Se deriva y presenta aquí el método del numero de intensidad de inyectado (GIN) para elinyectado con mezcla de cemento de masas rocosas. Las características principalesúnicas del método son: (1) una sola mezcla de inyectado estable para el proceso (relaciónagua : cemento por peso de 0.67 a 0.81) con un aditivo súper plastificante paraincrementar la penetrabilidad; (2) a velocidad constante baja a mediana de bombeo de lalechada conduce con el tiempo a una presión que se incrementa gradualmente conformela lechada penetra mas adentro de las fracturas de la roca; (3) el monitoreo de la presión,la velocidad del flujo, el volumen inyectado y la penetrabilidad contra el tiempo, en tiemporeal, por medio de gráficos en una computadora PC; y (4) la terminación del inyectadocuando la trayectoria del inyectado registrada sobre el diagrama de presión contra

volumen total ( por metro de intervalo inyectado) intersecta a una de las curvas devolumen limitante, presión limitante o intensidad de inyectado limitante como queda dadopor la curva hiperbólica seleccionada de GIN (una curva de valor constante de pV, presiónx volumen, una medida de la energía empleada). La experiencia en varios países enproyectos hidroeléctricos mayores indica que el método es técnica y económicamenteefectivo.

El inyectado de las masas de roca con lechadas de cemento para mejorar suspropiedades mecánicas e hidráulicas es una práctica bien establecida en la ingenieríacivil. Sin embargo, esta práctica ha estado dominada por mucho tiempo por reglasempíricas y experiencias personales o institucionales, que conducen frecuentemente a

creencias dogmáticas.

Durante esta década, los autores han tenido la oportunidad de trabajar en una serie deproyectos hidroeléctricos mayores en construcción en diferentes países, con proyectistas,ingenieros geotécnicos y geólogos, así como ingenieros de control de campo en eldesarrollo de una mejor comprensión mejor del proceso de inyectado mediante unacombinación de investigaciones de laboratorio, teóricas y de campo.

La información ganada por los estudios de laboratorio de la cohesión (resistencia a lafluencia) y la viscosidad dinámica de diferentes mezclas de inyectado por medio deestudios teóricos de flujo y penetración de lechada, y por el monitoreo de campo de

presiones de inyectado (GIN), como se discutirá en este articulo.Por simplicidad, este trabajo tratara únicamente del inyectado de cemento de masas deroca, aunque algunas de las consideraciones presentadas pueden ser también aplicadasa suelos granulares y al inyectado con otros materiales. Se da un mayor énfasis a laspantallas de inyectado para cortinas de presas que al inyectado de consolidación o deobras subterráneas, a pesar del hecho de que el método GIN ha sido empleado algunasveces para este tipo de obras.



436

No es el objeto de este articulo el resumir el estado del arte actual del inyectado, ya queuna serie de libros recientes lo han hecho bastante bien. Se dará más bien fundamentoteórico breve seguido por conceptos tanto teóricos como prácticos que conducen aldesarrollo del procedimiento del inyectado del GIN. La efectividad comprobada delconcepto para lograr resultados mejores de inyectado y operaciones de inyectado más

sencillas y más económicas, ha sugerido a los autores, que el método deberíapresentarse a un auditorio mayor.

Conceptos teóricos del flujo de lechada y su penetración

A diferencia de los fluidos newtonianos, tales como agua o aceite, en donde elcomportamiento geológico puede caracterizarse únicamente por el parámetro deviscosidad, una lechada de inyectado ―estable‖ se comporta como un fluido Binghamianodurante el flujo, teniendo ambos viscosidad y cohesión (resistencia a la fluencia).

Mientras que ambos son parámetros de resistencia al flujo, la viscosidad gobierna lavelocidad de flujo y la cohesión gobierna la distancia máxima de penetración (para unapresión de inyectado aplicada dada y una apertura dada de la fisura de la roca). Se handesarrollado y presentado en otro lado ecuaciones para calcular la distancia máxima depenetración, el volumen máximo de lechada inyectada y la fuerza máxima total delevantamiento ejercida sobre el área de inyección.

Será suficiente aquí hacer notar que la distancia máxima de penetración lograda por unalechada de inyectado es directamente proporcional a la presión aplicada y a la apertura delas fisuras y es inversamente proporcional a la cohesión de la lechada de inyectado. Deesta manera, para mejorar la penetración de la lechada en fisuras de roca finas, esnecesario incrementar la presión de inyectado o reducir la cohesión de la lechada, oambos.

Quizás el mayor valor de las ecuaciones de flujo Binghamiano consiste en proporcionaruna visión del proceso de inyectado con relación a los factores que influencian lapenetración de la lechada en una fisura de roca y la extensión de las fuerzas delevantamiento creadas por el proceso de inyectado. Mientras que las lechadas estables(definidas como aquellas que exhiben en dos horas una decantación del 5% de agua claraen la parte superior de un cilindro de 1000ml) pueden aproximarse al comportamiento deun fluido Binghamiano, no es razonable aplicar las ecuaciones a lechadas delgadas yacuosas. Tales mezclas delgadas o lechadas son suspensiones inestables de partículasde cemento en agua, que, durante el flujo de la lechada a través de las fisuras de roca,pueden mostrar un comportamiento de sedimentación errática; erosión, resuspensión yresedimentación. Este comportamiento es imposible de predecir y caracterizar con lasecuaciones de flujo Binghamianas o cualquier otra.

En la sección siguiente se presentan factores adicionales que entran en la selección de undiseño de una mezcla de inyectado.



437

Selección de la mezcla de inyectado

La controversia sobre mezclas espesas contra delgadas (lechadas) seguramentecontinuara por varios años más. Los autores han expresado en la literatura su preferenciapor las mezclas mas espesas desde 1985. La practica de agregar del 1 a 2% de bentonita

para estabilizar la mezcla y para reducir la sedimentación, esta siendo reemplazadaprogresivamente por el empleo de mezclas de contenidos de cemento más elevados, perocon aditivos súper plastificantes. Estas últimas son estables, ya que poseen menoscohesión y son más penetrantes, también tienen una mayor resistencia después delfraguado.

Tradicionalmente, los abogados de mezclas más espesas han indicado varias ventajasque exhiben las mezclas espesas, ambas durante el proceso de inyectado o durante lavida útil de la masa de roca inyectada, después de que se haya endurecido la lechada.

Durante el inyectado una lechada moderadamente espesa, estable tiene las siguientesventajas comparada con una lechada delgada:

-Menor sedimentación de los granos de cemento durante condiciones de flujo lento

-Menos agua de sangrado que acomodar como resultado de la exprimida o filtración enzonas estrechas en las trayectorias de flujo, con menor bloqueo prematuro

-Mayor estabilidad en tiempo y distancia como fluido predecible (fluido binghamiano conuna cohesión y viscosidad dinámica dadas); y

-Menos riesgo de hidrofracturamiento (también denominado partición hidráulica o efectode gato hidráulico) y levantamiento de los estratos geológicos, debido a una caída depresión alejada de la perforación de inyectado como resultado de la cohesión de lalechada (y el llenado de la fractura con una lechada de alta calidad en el caso de talocurrencia).

-Durante la vida útil de una lechada endurecida en fisuras de roca, la lechada espesatiene las siguientes ventajas en comparación con una lechada delgada:

-Menos contracción durante el fraguado y con esto una mayor liga a lo largo de lasparedes de la fisura en la roca y menos riesgo de una reabertura;

-Mayor densidad y mayor resistencia mecánica, debido al mayor contenido de cemento ycon ello una mayor resistencia a la erosión física y tubificación.

-Menor porosidad, menor permeabilidad, y una mayor resistencia de liga y con esto unaresistencia química mayor contra la lixivación y una mayor durabilidad de la pantalla deinyectado durante la vida útil de la presa.

La lechada estable debido a su cohesión, requiere presiones de inyectado mayores paraalcanzar la misma distancia de penetración comparada con una lechada delgada. Sin



438

embargo, por medio del empleo de una pequeña cantidad de aditivo súper plastificante,ambos parámetros, su cohesión y su viscosidad, pueden reducirse dramáticamente.

La practica actual en una serie de proyectos mayores es la de emplear una relación demezclas de 0.67: 1 a 0.8: 1 (agua: cemento por peso) para obtener la mayor densidad y

resistencia deseables de una lechada endurecida y un súper plastificante para reducir lacohesión y la viscosidad durante la colocación de la lechada. Se emplean pruebas delaboratorio para determinar las propiedades de flujo, sedimentación, fraguado y deresistencia de diferentes mezclas de inyectado para diferentes aditivos súperplastificantes.

Los valores de cohesión y viscosidad pueden obtenerse en le laboratorio empleando unviscosímetro rotatorio con cilindros concéntricos. Sin embargo, puede emplearse tambiénel medidor sencillo de placa de cohesión. Este es una pieza de una placa de acerorugosa, de 100 mm por 100 mm por un espesor de alrededor de 1.5 mm, que se pesaantes y después de sumergirla por unos segundos en la mezcla de inyectado. Ladiferencia de peso, dividida entre el área de ambos lados da el parámetro de cohesión enunidades de resistencia al esfuerzo cortante. Es conveniente dividir la cohesión C entre elpeso unitario de la lechada g, expresando la cohesión relativa C r = C/g, que es la quenormalmente se reporta. Se da generalmente en mm, y los valores típicos son de 90.2 a0.35 mm para las lechadas de cemento, que se adhiere a cada lado de la placa decohesión aparente, baja valores de 0.08 a 0.15 mm, para el rango aditivos, la cohesiónaparente, baja a valores de 0.08 a 0.15 mm, para el rango recomendado. Es de interésnotar que el valor de Cr es de hecho el espesor de la lechada de cemento, que se adhierea cada lado de l placa de cohesión. La placa de cohesión debe ser suficientementerugosa, cortando pequeñas ranuras que se intersectan sobre su superficie, de maneraque la adhesión entre la superficie del acero sea mayor que la cohesión entre la superficiedel acero sea mayor que la cohesión entre la capa superficial de la lechada adherida y elresto de la lechada; de otra manera la lechada se deslizara de la placa.

Otros valores típicos de laboratorio son: peso especifico de la lechada, 1.59 a 1.67 t/m3(99.2 a 104.2 lb/ft3); tiempo de flujo del embudo Marsh de 29 a 32 s; y resistencia a lacompresión a los 28 días de 15 a 20 Mpa (2250 a 3000 lb/in 2).

Otro punto que deberá mantenerse en mente, es la perdida potencial de agua al inyectarroca seca, arriba del nivel de agua subterránea. En el caso de que se espesara la lechadapor esta razón, se incrementaría su cohesión (se aumentaría la fricción interna) al gradoque ya no se podría inyectar mas lechada. Una practica prudente es la de inyectar aguapor un periodo de tiempo para obtener una saturación parcial de la masa rocosa,precisamente antes del inyectado. También se pueden emplear aditivos retenedores deagua en la lechada.

Al inyectar fisuras finas en roca, deberá recordarse que la penetración de la lechadadepende más del tamaño de los granos de cemento y partículas de cemento aglutinadasque de la dilución de la mezcla con agua en exceso. De esta manera, en vez de tratar deobtener una penetración mayor, diluyendo la mezcla, debería emplearse un cemento masfino con aditivo súper plastificante junto con presiones de inyectado menores.



439

Una vez que se haya determinado una mezcla aceptable, por medio de pruebas delaboratorio, con sus propiedades mecánicas en los rangos deseables, esta mezcla deberáemplearse para todo el inyectado en el proyecto: el empleo de mezcla simplificagrandemente el procedimiento de inyectado.

Diseño de obras de inyectadoEl diseño de una pantalla de inyectado incluye la selección de las siguientescaracterísticas principales: mezcla de inyectado, espaciamiento y profundidad de lasperforaciones de inyectado, secuencias de inyectado, procedimiento de inyectado(incluyendo la limitación de volumen y presión) y el control de campo. Se requiere un buenconocimiento de la geología del sitio al seleccionar algunos de estos parámetros, enespecial, las características físicas de las discontinuidades de la masa de roca que deberáinyectarse (tipos, frecuencia, abertura de fisura, rugosidad, alteración o relleno, yextensión). El estado de esfuerzos in situ y las condiciones de agua subterráneaexistentes también deberán considerarse.

Además de un conocimiento de las condiciones geológicas y geotécnicas existentes,deberán tomarse en cuenta los cambios inducidos por el estado de esfuerzos del proyectoy las presiones hidráulicas y su variación en el tiempo (tales como durante el llenado yabatimiento de un vaso). Finalmente, deberá definirse de una manera mejor la meta quedeberá lograrse en términos de consolidación o efectos de densificación, como es el casogeneral.

Este trabajo no pretende dirigirse a todos estos puntos en detalle, pero se concentra envarios de los importantes.

Desarrollo del método GIN

Inyectado de fisuras amplias abiertas

Ambos las observaciones prácticas y los estudios teóricos, indican que las fisuras másamplias abiertas en una masa rocosa son aquellas que se inyectan más fácilmente. Lapenetración de la lechada también puede ser considerable (algunas decenas de metros).Por lo tanto existen tanto razones prácticas como económicas para reducir la penetraciónde la lechada y el volumen de la lechada inyectada.

Hay tres maneras de lograr esta reducción: empleando una lechada menos penetrante(más espesa con mayor cohesión); limitando la presión de inyectado o limitando elvolumen de lechada inyectado.

Antes de seleccionar el criterio limitante, deberá considerarse que también pueden existirfisuras mas finas en el intervalo de roca que se esta inyectando. Estas son más difícilesde inyectar y probablemente no se inyectaran bien hasta una etapa posterior, cuando yase hayan llenado las fisuras mas abiertas.

Sin embargo, durante la primera etapa de inyectado, es deseable lograr algún llenado deestas fisuras finas, De esta manera, la mezcla de inyectado no deberá espesarse, pero



440

deberá permanecer una lechada moderadamente espesa estable como un aditivo súperplastificante. La alternativa de limitar la presión tampoco es muy atractiva, ya que estoreduciría el inyectado de las fisuras finas. La alternativa restante de colocar una limitaciónde volumen parece ser mejor camino.

Inyectado de fisuras finasDespués de que se hayan inyectado las fisuras mas abiertas, o si existieron originalmenteen la zona por inyectar fisuras abiertas de abertura amplia, el inyectado de las fisurasfinas se hace una prioridad. Tal inyectado puede realizarse, ya sea utilizando una mezclamas delgada con una cohesión menor, o inyectado a presiones mayores. Es másconveniente elevar la presión y mantener la mezcla moderadamente espesa de altacalidad con aditivo súper plastificante. En vista de que las fisuras mas finas tendrán unapenetración menor de la lechada, y ya que la presión de inyectado se reduce rápidamenteconforme se aleja de la perforación, la fuerza total de levantamiento aún a presiones deinyectado elevadas será, como regla, mucho mas baja que el peso de la sobrecarga; elhidrofracturamiento de las juntas y planos de estratificación en la roca es raras veces unproblema (con excepción de los 5 a los 10 metros superiores).

Consecuentemente, son aceptables presiones de inyectado bastante elevadas, aún dehasta 30 a 40 bar, es decir, de 3 a 4 Mpa (425 a 570 lb/in2) calculados en el intervalo en elcaso de que la toma de lechada sea pequeña.

Al considerar estos factores se sugiere un limite superior para la presión de inyectado,cuando las tomas de lechada son pequeñas en el rango de 30 a 50 bar (3 a 5 MPa),dependiendo de la geología (intemperización, estratificación, zonas débiles, estado deesfuerzos in situ, etc), la presión de agua futura y la intensidad deseada del inyectado.

De esta manera, están empezando a emerger los primeros dos elementos del principioGIN: una limitación de volumen, cuando la lechada entra fácilmente a bajas presiones, yuna limitación de presión cuando la lechada penetra únicamente con dificultad. Queda porenfocarse a los rangos intermedios. Sin embargo, antes de continuar con este rangointermedio es conveniente revisar otras consideraciones sobre el inyectado.

La reducción del espaciamiento de las perforaciones del inyectado por etapas

En la práctica usual, se inyectan las perforaciones primarias, con un espaciamientobastante abierto (tales como 10 a 12m) de manera que el inyectado en el primer barrenoprimario no interfiera con el siguiente. Frecuentemente se especifica que se perfore einyecte, cada tercer o cuarto barreno primario antes de los demás primario, para servircomo perforaciones primarias ―exploratorias‖. Estas perforaciones serán frecuentementeperforaciones con núcleo y se probarán con pruebas de agua a presión hasta unaprofundidad total de 0.75 x H (en donde H es la altura del vaso futuro en el punto encuestión), El resto de las perforaciones primarias podrá ajustarse en profundidad deacuerdo a los resultados de las perforaciones exploratorias primarias.

La siguiente serie (etapa) de perforaciones, los llamados barrenos secundarios, seinyectan a continuación en una localización intermedia de espaciamiento entre los



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primarios. Ya que estas perforaciones se encuentran únicamente de 5 o 6 m de lasperforaciones primarias, encontraran con una frecuencia endurecida en algunas de lasfisuras más amplias. En general sus ―tomas‖ serán mas bajas que las de las primarias.Frecuentemente se requieren perforaciones terciarias, nuevamente a un espaciamientointermedio (2.0 a 3m), generalmente con tomas aun menores; eventualmente se podrá

requerir aún perforaciones cuatenarias (de 1.25 a 1.5m de cada perforación terciaria),resultando generalmente en una absorción aceptablemente baja de lechada.

Ya que la roca se hace más cerrada con cada fase (etapa) de perforaciones, las fisuras noinyectadas encontradas en las últimas perforaciones generalmente serán más finas; por lotanto, las presiones más altas serían benéficas y producirían una operación de inyectadomás eficiente.

De esta manera, se identifica el tercer ingrediente del procedimiento GIN: una presiónprogresivamente más elevada conforme se consolida la roca, de manera que se inyectenprogresivamente fisuras mas finas.

Pruebas de presión de agua (LUGEON)

Se han empleado frecuentemente pruebas de presión de agua (pruebas Lugeon) en cadaintervalo de inyectado para ayudar a seleccionar la mezcla de inyectado.

Sin embargo, la experiencia y la teoría han indicado una correlación muy pobre de losvalores Lugeon con las absorciones de lechada. Sin embargo todavía se podrán emplearlas pruebas Lugeon o similares en las perforaciones exploratorias primarias, para obteneruna imagen general de la permeabilidad a través del empotramiento y el área decimentación de la cortina principal. Luego se podrán efectuar comparaciones con pruebasLugeon llevadas a cabo como comprobación o barrenos de control después del inyectado,para ver si se ha logrado una reducción suficiente en la permeabilidad.

El método GIN

Energía específica empleada

Para inyectar una zona de roca en forma de más intensiva, se requiere emplear masenergía. En un intervalo de inyectado de progresión dado, la energía empleada esaproximadamente proporcional al producto de la presión p del inyectado final y delvolumen de inyectado V dando un producto pV. Este numero pV se llama numero deintensidad de inyectado o GIN (Grouting Intensity Number)

El volumen puede normalizarse con la longitud del intervalo de inyectado como litros/m ( oen forma intercambiable por peso de cemento inyectado en kg/m, ya que para las mezclasmoderadamente espesas los valores numéricos son similares dentro de un 5 al 10 %). Lapresión ha sido utilizada tradicionalmente como bar, resultando en pV o unidades GINsiendo barlitros/m, aunque obviamente se pueden utilizar otras unidades, haciendo lasconversiones apropiadas.



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Ventajas de mantener un valor constante de GIN

El método GIN requiere que, una vez que se haya seleccionado el nivel de intensidad deinyectado (por ejemplo una intensidad alta GIN de 2,000 barl/m), este valor deberáutilizarse, tanto para las fisuras fácilmente, inyectables con grandes volúmenes de

absorción a baja presión como para las fisuras mas finas con tomas bajas pero conpresiones considerablemente más elevadas. De esta manera, se mantiene un valorconstante de GIN.

Al mantener un valor constante de GIN durante el proceso de inyectado para todos losintervalos, se obtiene una penetración caso constante de la lechada y se limita casiautomáticamente el volumen de una fisura abierta amplia, pero se permiten presionesincrementadas en zonas apretadas y fisuras menos inyectables, También, se eliminan lascombinaciones de presión elevada y de volumen grande, una condición que conduciría aesfuerzos tremendos de levantamiento o de hidroparticion. De una manera similar seeliminan las combinaciones de presión baja con una toma baja, las cuales inyectarían lasfisuras mas finas de manera inadecuada.

Un valor constante de Gin cuando se dibuja en una grafica de presión contra volumen,produce una curva hiperbólica: mientras mas elevada la intensidad de inyectado o el valorGIN, mas grande es la distancia del origen de la curva. De esta manera la curva GINcompleta el ingrediente faltante para juntar los otros dos límites discutidos en párrafosanteriores: la línea del volumen limitante y la línea de la presión limitante. La combinaciónde los tres da una envolvente limitante compuesta para el inyectado.

Envolventes limitantes compuestas para diferentes intensidades de inyectado

En la figura 1 se muestran las trayectorias p-V de tres tipos de fisuras. Una fisura abiertacon abertura amplia se representa en la curva 1, que demuestra un volumen creciente delechada inyectada con un solo incremento ligero de la presión. La curva 2 representa unafisura promedio en donde la presión se incrementa gradualmente conforme el volumen delechada inyectada aumenta; únicamente en el punto a’ se eleva rápidamente la presiónconforme la resistencia a la resistencia de la penetración de la lechada se incrementa enuna forma desproporcionada. La curva 3 representa una fisura cerrada, en donde lapresión de inyectado se eleva rápidamente con tomas de lechada pequeñas. De unamanera similar, la curva 4 representa una fisura extremadamente cerrada con una tomade lechada muy pequeña y una presión elevada de rechazo.

La figura 2 ilustra 5 envolventes limitantes sugeridas para diferentes intensidades deinyectado. El valor GIN, la presión límite y el volumen límite; son de hecho 3 parámetrosmas o menos independientes, que definen la curva envolvente limitante para el inyectado.En la definición propuesta se relacionan entre sí pero no necesitan estarlo. La envolventesuperior representa un inyectado de muy alta intensidad, con un valor de GIN de 2,500barl/m, una presión limite muy elevada de 50 bar y un volumen limite elevado de 300 l/m.la envolvente mas baja representa una intensidad muy baja con un valor GIN de500barl/m, una presión máxima de 15 bar y un volumen límite de 100 l/m. Para la mayoriade las condiciones los autores recomendarían la envolvente de intensidad moderada con



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un valor dado de 1,500barl/m, una presión límite de 30 bar y un volumen límite de 200l/m.

Para áreas geológicamente críticas (cerca de la superficie o sobre taludes parados) seríaaplicable la curva muy baja. Se comprende fácilmente, de la combinación de las figuras 1

y 2, que el proceso de inyectado se detendrá en diferentes puntos dependiendo del valorseleccionado para la envolvente de inyectado.

En la curva 1 (Fig. 1) el inyectado se terminaría en el punto a para un inyectado de bajaintensidad debido al volumen limite de 150 l/m con una presión resultante de 3 bar. Sinembargo, si el diseñador especificó la envolvente de intensidad moderada, el inyectadocontinuaría hasta el punto b, el volumen limite de 200 l/m, y nuevamente la presión finalsería de al rededor de 3 bar. Si se hubiera seleccionado un inyectado de alta intensidad, elinyectado continuaría hasta el punto c, el volumen limite de 250 l/m, siendo la presión finalalrededor de 6 bar. Finalmente, si se hubiera seleccionado una intensidad muy elevada elinyectado continuaría hasta el punto d. La trayectoria no se terminaría por el volumenlímite sino más bien por la intersección con la curva GIN 2,500.

En este punto, el volumen total de inyectado sería de 285 l/m y la presión final deinyectado sería de 9 bar. De esta manera, habría un rango de volumen inyectado de 150 a285 l/m y un rango de la presión final de inyectado de 3 a 9 bar, dependiendo del GINespecificado.

Para la curva 2 (Fig. 1), el volumen inyectado en el punto a', sería de alrededor de 60 l/m,y la presión final de inyectado sería de 13 bar. Si se hubiera continuado el inyectado hastael punto d', que representa una intensidad muy elevada (pV=2500), la toma de la lechadase hubiera incrementado únicamente hasta 90 l/m, pero la presión hubiera alcanzado 28bar, considerablemente menos que el valor limite de 50 bar. De una manera similar, parala curva 3, se detendría el inyectado entre el punto a y d dependiendo de los criterios deGIN y de la presión limite previamente seleccionados.

La porción x-y representa un ejemplo de hidrofracturamiento o un evento de partición porpresión hidráulica, en donde una junta o plano de estratificación se forza repentinamenteabierto con una caída resultante de presión y un incremento en la velocidad de absorción.Se podría continuar el inyectado a velocidades bajas, para tratar de alcanzar la curva GINseleccionada, pero si la presión se incrementara, se presentara probablemente otroevento de hidrofracturamiento aproximadamente a la misma presión o un poco mayor. Escuestionable, si el inyectado debería continuarse bajo tales circunstancias. Sin embargo,muchas veces se ha hecho sin ningún problema serio. En cualquier caso, tarde otemprano se alcanza la curva limite y el inyectado se detiene.

Selección del valor GIN

El proyectista de la presa y su grupo geotécnico y de inyectado deberán seleccionar elvalor del GIN para la pantalla de inyectado proyectada. Mientras que estos autoresrecomiendan el valor de GIN moderado de 1500 bar/m, como un inicio, deberán tomarseen cuenta las condiciones geológicas, el valor de las futuras perdidas de agua y laspresiones de subpresión después de llenado. Los límites superiores de presión y los



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límites superiores de volumen también pueden ser modificados por los proyectistas y losingenieros de control de campo para casos especiales. Probablemente el mejorprocedimiento es el de llevar a cabo 1 ó 2 tramos de inyectado de prueba antes deseleccionar la envolvente limitante de inyectado.

El límite superior de presión puede ser menor en los empotramientos que aquélseleccionado para el fondo del valle, debido a diferencias en la carga del embalse. Unameta que vale la pena, es una presión límite de aproximadamente 2 veces la carga delvaso, pero puede ser difícil lograr esto sin inducir un hidrofracturamiento no deseable.

Inyectado controlado por computadora

Ya que actualmente se pueden instalar y operar computadoras PC fácilmente en el sitiode inyectado mismo, existe ahora la posibilidad de un control continuo, en tiempo real, delproceso de inyectado. Solamente se deberán leer de una manera continua 2 valores pormedio del sistema: la presión actual p y la velocidad de flujo q se puede obtener por mediode integración el volumen acumulado por unidad de longitud (inyectado desde el inicio delinyectado de la progresión en cuestión). Si se desea, puede medirse directamente elvolumen V de la lechada inyectada; y la velocidad de flujo se podrá obtener porderivación.

Empezando desde los valores medidos de p y q, se pueden mostrar y graficar una seriede graficas de tiempo sobre la pantalla del monitor (por ejemplo presión, velocidad deflujo, volumen acumulado y penetrabilidad contra el tiempo). La figura 3 muestra tal seriede graficas. Llama la atención la curva (d) que representa el flujo especifico (q/p) openetrabilidad (es decir la velocidad de flujo dividida entre la presión) contra el tiempo.Esta curva muestra claramente el llenado progresivo de los huecos y fisuras y elcrecimiento de la resistencia al inyectado, causada en primer lugar por el crecimiento de lafuerza total cohesiva, conforme se extiende el flujo de la Techada más adelante a lo largode las fisuras de la roca. Se observa fácilmente un evento de hidrofracturamiento ohidroelevación por la presencia de un pico en la grafica.

Las curvas GIN y de penetrabilidad - volumen como controles prácticos delinyectado

La figura 4 representa las gráficas principales de control que puede presentar lacomputadora. Estas curvas pueden utilizarse para controlar el proceso de inyectados. Lafigura 4 (a) muestra la envolvente limitante de inyectado que ha sido seleccionada para elproyecto (o para la zona dada del proyecto), incluyendo la presión límite pmax, el volumenlimite de Vmax, por unidad de longitud y la curva hiperbólico GIN seleccionada. Estaenvolvente puede meterse en el programa y puede presentarse a petición. En general, aestas curvas de la envolvente limitante se les llama simplemente curvas GIN.La curva irregular 2 mostrada en la figura4 (a) representa la trayectoria real del inyectadograficada en pequeños incrementos de tiempo, de la presión instantánea de inyectadocontra el volumen acumulado de inyectado de la lechada por unidad de longitud. La curvairregular de la trayectoria de inyectado intersecta la curva GIN en el punto F, y el inyectadose detiene a una velocidad de flujo "cero", con una presión final pf y un volumen totalunitario acumulado de la lechada inyectada Vf.



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La figura 4 (b) también es un curva importante de monitoreo en tiempo real.

La penetrabilidad q/p se grafica contra el volumen acumulado de lechada inyectada envez de, contra el tiempo, como en la figura 3 (d), dando sin embargo curvas tipo similares.

Conforme se desarrolla la curva, se observa normalmente un descenso en lapenetrabilidad, lo que indica que la eficiencia el inyectado está disminuyendo. De estamanera, a una presión constante de inyectado, la velocidad de flujo va disminuyendo obien, si se mantiene una velocidad constante de flujo (casi al final), la presión de inyectadova creciendo. La decisión de cuál de estas combinaciones es aplicable, depende deambos, el tipo de bomba y los detalles de la operación de inyectado (tuberías, válvulas).

El descenso de la curva de penetrabilidad-volumen indica que el proceso de inyectadoestá caminando normalmente. Deberá monitorearse y controlarse la presión de inyectadopara detener el proceso en los límites de inyectado sobre la curva GIN.

Como se indicó en la sección anterior, la trayectoria de inyectado llegará a la curva GIN endiferentes puntos, en función de l abertura de las fisuras de roca (fisura amplia cerca delpunto B y fisuras finas cerca del punto A; figura 4 a).

Conforme avance la trayectoria de inyectado hacia la curva GIN, las velocidades debombeo debería ser tan bajas como sea practicable, mientras todavía se logre unapenetración de lechada (por ejemplo 500 l/h es decir 17.6 ft3/h o 2.2 gals/min). Laexperiencia ha demostrado, que estas diferentes gráficas ayudan a controlar el procesode inyectado de una manera efectiva y continua.

Aplicación a pantallas de inyectado

El método GIN, tal como se presenta, ha tratado principalmente con consideraciones paraun solo intervalo de inyectado o progresión. El método también es aplicable a todos losintervalos de una perforación de inyectado y a todas las perforaciones primarias y conespaciamientos intermedios. El procedimiento de reducción de espaciamientos en unapantalla de una línea, es un método comprobado eficiente basado en un razonamientoteórico fundamentado.

En ciertas rocas altamente permeables o cavernosas (flujos de lavas, algunas calizas,areniscas fracturadas), se han construido pantallas de tres líneas. Generalmente seinyecta primero la línea de aguas abajo, seguido por la línea de aguas arriba y finalmentepor la línea central. Se considera que las dos líneas exteriores se comportan como líneasde barrera (confinamiento) y con frecuencia se inyecta únicamente las perforacionesprimarias y secundarias, con la intención de rellenar la mayoría de las fisuras o huecosmayores. La línea central puede tratarse entonces como una pantalla normal de una solalínea con perforaciones primarias hasta terciarias y aún cuaternarias o quinarias, si serequieren.

En el método de reducción de espaciamientos, las perforaciones primarias rellenaránparcial o totalmente y obturarán únicamente las fisuras más amplias de la roca. La serie(etapa) siguiente de perforaciones secundarias nuevamente obturarán únicamente las



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fisuras más amplias, que todavía no se taparon en la primera serie, y así sucesivamente.En la Fig. 5 se grafican las posiciones finales probables de las perforaciones primarias,secundarias, terciarias y adicionales (cuaternarias o perforaciones de comprobación 9sobre la curva GIN. El volumen promedio de lechada absorbida disminuirá de una serie ala siguiente, mientras que obviamente la presión final de inyectado se incrementará de

una manera correspondiente de una serie a la siguiente, Esto sucede en forma automáticacuando se sigue en el promedio GIN.

Con un espaciamiento de perforaciones primarias de 10 a 12 m, es probable que serequerirán ambos, la serie (etapa) secundaria y terciaria. Las perforaciones terciariasestaría a una distancia de 2.5 a 3 m de la perforación adyacente más cercana; estasperforaciones podrían ser más cortas, dependiendo de la geología y de los resultados delas perforaciones secundarias.

Es posible que no se requieran las perforaciones cuaternarias. Por lo menos serequerirían algunas perforaciones de comprobación, para llevar a cabo pruebas Lugeon,para ver si se logró un permeabilidad baja aceptable de la masa de roca; para un pantallamuy cerrada, los requisitos pueden ser tan severos como que el 90% de todas laspruebas deberán estar cerca o debajo de 1 Lugeon (1x10-5 cm/s), con ningún valor mayorde 3 Lugeon.

Relación de espaciamiento de los barrenos y el GIN

Es obvio que debe existir una relación entre el espaciamiento de las perforaciones y elGIN requerido. Por ejemplo, si el espaciamiento primario es demasiado amplio y el GINseleccionado demasiado bajo, no resultará ningún decremento significativo de la toma delechada de la serie primaria a la secundaria, o aún hasta la terciaria. En tal caso, no sepuede dar ninguna garantía para una pantalla exitosa, aunque se hayan efectuado gastosconsiderables de perforación e inyectado.

Si el espaciamiento primario es demasiado cercano o el GIN es demasiado elevado. Lastomas de lechada serán muy bajas después de las primeras 2 series y las perforacionesterciarais serían esencialmente un desperdicio. El GIN también está relacionado con ladistancia que viaja la lechada y por lo tanto, con el espesor de la pantalla en roca o ―elmuro‖.

Una regla empírica, que funciona, es seleccionar los valores de GIN y el espaciamiento detal manera, que el volumen inyectado por metro de progresión de inyectado se reduzca deuna serie de perforaciones a la otra en alrededor del 50% (de una manera realista en elrango del 25 al 75%). Tal comportamiento daría confianza de que está ocurriendo uncierre progresivo en la pantalla. Se podrán emplear uno o más tramos de inyectado deprueba durante la fase de diseño o en la primera parte del contacto de inyectado, paradefinir mejor el espaciamiento óptimo de las perforaciones primarias y el valor de GIN.

Criterios para el cierre

Si las trayectorias de inyectado de las perforaciones de la última serie (digamos la serieterciaría) no alcanzan la línea de la presión límite superior del GIN seleccionado (y



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preferentemente en la mitad izquierda de la línea), se deberá inyectar perforacionesadicionales en ambos lados de estas perforaciones que no cumplan estos criterios. Deesta manera, todas las partes de la pantalla (aunque no todas las perforaciones primarias,secundarias y terciarias), se habrán inyectado a la presión límite máxima de inyectado conabsorciones de lechada razonablemente bajas (menos de 25 kg/m ó 0.18 sacos/ft, por

ejemplo).Si se efectuó una selección no óptima del espaciamiento entre los barrenos, el métodopropuesto, es por lo menos hasta cierto grado un procedimiento que se regula por sí sólo.Esto es como un resultado de la técnica de reducción de espaciamiento, la curva GIN y elrequisito de la última serie de perforaciones de alcanzar la presión límite con tomasunitarias mínimas.

En conclusión se cree que, si uno sigue los conceptos y reglas presentadas se puedelograr una distribución bastante óptima del volumen total inyectado a lo largo de lapantalla. El procedimiento toma en cuenta, casi en forma automática, las irregularidadesreales de las condiciones geológicas en la masa de roca. Al hacer esto, se puedemaximizar la relación beneficio costo de la pantalla de inyectado.

Puntos principales del método GIN

Varios conceptos y procedimientos son básicos en la aplicación del método de inyectadoGIN. Estos se resumen a continuación bajo cuatro encabezados.

Conceptos básicos

1.-Se emplean únicamente mezclas estables moderadamente espesas de lechada: a)para reducir la sedimentación y el bloqueo prematuro; y b) para obtener una lechadaendurecida, densa y resistente.

2.-Se usa, hasta donde sea posible, sólo una mezcla única para todo el trabajo deinyectado: para a) proporcionar un solo fluido Binghamiano con propiedades conocidas; yb) para simplificar el procedimiento de inyectado, mejorando así la eficiencia y reduciendoerrores.

3.-Se emplea la curva GIN para monitoreo de la presión de inyectado: a) para que sepermita la aplicación de una presión elevada donde se requiera; y b) para evitar la presiónelevada donde sería dañina o un desperdicio.

4.-Se controla el proceso de inyectado por medio de una computadora de campo: a) paraseguir un tiempo real la presión y la velocidad de flujo; b) para graficar la trayectoria -Vsobre la curva GIN seleccionada; y c) para indicar la terminación del inyectado, utilizandola trayectoria de inyectado -V y la curva de penetrabilidad – volumen.

Diseño de la Mezcla

1.-Se usan aditivos para obtener las características deseadas de la lechada: a) aditivosuperplastificante para reducir la cohesión y viscosidad de la mezcla de manera de



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incrementar la penetrabilidad de la lechada; y b) posiblemente un agente retenedor deagua, para reducir la pérdida de agua durante el exprimido.

2.-Se lleva a cabo una serie amplia de pruebas de laboratorio en el periodo inicial convarias mezclas de lechada con una relación agua:cemento (por peso) que varía de 0.7:1 a

1:1. Esto es para: a) probar diferentes cementos disponibles de finura variable; b) probardiferentes aditivos en diferentes porcentajes; y c) obtener valores de prueba del pesounitario de la lechada, viscosidad aparente del embudo Marsh, sedimentación a las doshoras, cohesión, tiempos iniciales y finales de fraguado, resistencias a la compresión a los7 y 28 días y pérdida de agua en pruebas de exprimido.

Arreglo de las perforaciones de inyectado

1.-Se adopta el método normal de reducción de espaciamientos desde las perforacionesprimarias a través de las terciarias o hasta cuaternarias: a) para proporcionar unacobertura mínima uniforme en todo; y b) permitir que haya perforaciones conespaciamientos más cercanos, en donde las condiciones geológicas y los resultados delinyectado así lo indiquen.

2.-Se llevan a cabo pruebas de inyectado de campo, ya sea durante la fase final de diseñode la cortina durante la primera parte de la fase de construcción: a) para probar lasdiferentes zonas del sitio, que tengan condiciones geológicas o topográficas diferentes(por ejemplo, fondo del valle y cada empotramiento); b) para seleccionar el espaciamientoóptimo de las perforaciones primarias, de manera que las perforaciones secundarias yterciarias posteriores muestren una disminución continuada del 25 al 75% por serie(considérese un espaciamiento prelimar de las perforaciones primarias de 10 a 12 m); y c)para permitir que se prueben diferentes curvas GIN (por ejemplo graficando la trayectoria-V para cada etapa de inyectado hasta la intensidad de inyectado anticipada o hasta elprimero o segundo evento de hidrofracturamiento).

Control de campo

1.-Se definen los elementos de control de la curva GIN a partir de los resultados delprograma de inyectado de prueba, así como cualquier consideración especial ingenieril,de mecánica de rocas o geológica: a) para garantizar que los límites de volumen y presiónsean razonables para las características geológicas existentes; y b) para evaluar lanecesidad de diferentes valores de GIN en diferentes partes de la obra.

2.-Se inyecta cada cuarta perforación primaria primero como perforaciones de inyectadoexploratorias, excepto en áreas de un inyectado de prueba previo: a) para permitir unamejor definición por áreas de las condiciones geológicas y geohidrológicas (por medio deperforación rotatoria con recuperación de núcleos y pruebas de presión de agua Lugeonhasta una profundidad igual a la altura futura del embalse arriba del punto del terreno encuestión ); y c) para asegurarse de que la curva GIN seleccionada sea apropiada.

3.-Se controla el proceso de inyectado por medio de una computadora de campo,utilizando la curva GIN y la curva de penetrabilidad: A9 para permitir un monitoreo entiempo real de la trayectoria de inyectado; y b) para permitir que se anticipe la terminación



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del inyectado a partir de la curva de penetrabilidad declinante y del acercamiento de latrayectoria de p contra V hacia la curva GIN controladora (incluyendo del volumen límite ylas porciones de presión límite de la curva).

4.-Se inyecta previamente agua antes del inyectado de cualquier progresión arriba del

nivel del agua subterránea, para saturar parcialmente la roca, de manera de reducir elriesgo de pérdida del agua de la lechada junto con un bloqueo prematuro.

5.-Se emplean pruebas de presión de agua Lugeon únicamente en las perforacionesexploratorias primarias y en las perforaciones de comprobación, para comparar laspermeabilidades iniciales y finales de la masa de roca.

6.-Se resumen los resultados del inyectado por medio de métodos estadísticas gráficos,para asegurarse de un cierre progresivo de las fisuras de la roca con una permeabilidadresidual resultante aceptablemente baja.

Ejemplo

Durante la última década este procedimiento de inyectado fue introducido paso a paso enuna serie de sitios en Argentina, Austria, Ecuador, México, Suiza y Turquía. En el futurocercano, el método continuará siendo utilizado en proyectos planeados en varios países.

En el inyectado en proceso de la presa Aguamilpa, en México, puede mencionarse comoun ejemplo sobresaliente. Esta presa de 180 m de altura, propiedad de la ComisiónFederal de Electricidad, será la presa más alta de enrocamiento con cara de concreto enel mundo. Su llenado se iniciará durante 1993.

El método GIN se está empleando actualmente para ambos, la consolidación de rocadebajo de plinto de la cimentación de la cara de concreto y para la pantalla de inyectadoprofunda. Después de pruebas extensas de laboratorio y de campo, se seleccionó unasola mezcla normal2. Tiene las siguientes características:

Cemento Cemento puzolánico fino con valor Blaine alrededor de 5100 cm2/g.

Relación agua-cemento: 0.9:1 (un poco mayor que la normal, debido al valor elevado de Blaine).

Aditivo superplastificante: 1.6% del peso de cemento de Sikament NZ.

Densidad de la mezcla: 1.5 a 1.558 g/cm3.

Decantación: 4% en dos horas.

Tiempo de flujo en embudo Marsh: 28 a 32 s

Cohesión relativa (C/g). 0.08 a 0.2 mm, aumentando a 0.2 hasta 0.3 en 2 horas.

Resistencia de la mezcla endurecida: 9 a 10 Mpa a los 7 días y 13 a 17 Mpa a los 28 días.

Corresponde a una mezcla estable, pero muy fluida con propiedades de alta penetracióndurante la primera hora y una resistencia excelente tanto mecánica como contralixiviación.

Para la pantalla de inyectado se especifica como regla lo siguiente:

-Procedimiento: progresiones ascendentes de 5m;



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-Método de reducción de espaciamientos, iniciando con perforaciones primarias a unadistancia de 24 m;

-Se perforan barrenos adicionales de orden mayor, mientras que la toma sea mayor de 25l/m;

-Saturación de la masa de roca (arriba del nivel del agua) durante una hora a una presiónde 2 bar, inmediatamente antes del inicio del inyectado para cada progresión de 5m;

-Intensidad de inyectado: 2500 barl/m (reducido a 1500 debajo del plinto);

-Límite máximo de presión: 40 bar (reducido cerca de la superficie a 10 bar y aumentandoa 40 bar a una profundidad de 20 m y también reducido en forma adecuada en sitiosgeológicamente delicados);

-Límite máximo de absorción: 400 l/m, en efecto, 2000 litros por 5 m de progresión (serreduce localmente a 300 l/m); y

-Criterio de suspensión: velocidad de flujo menor de 3 l/m min. Para una progresión de 5m a la presión final de inyectado.

Estas especificaciones son fáciles de manejar en el sitio, especialmente porqueúnicamente se utiliza una sola mezcla.

Como un ejemplo, la figura 6 muestra la trayectoria del inyectado de consolidación abajodel plinto de una progresión. Las lecturas fueron tomadas en forma intermitente aintervalos de alrededor de 5 minutos, ya que ni había disponibilidad de monitoreo porcomputadora PC.

En la parte superior figura 6 (a) las trayectorias de la presión p así como la velocidad deflujo q se grafican contra el volumen V de lechada inyectada. La trayectoria de presiónpuede compararse con la frontera limitante del GIN.

La meta del inyectado fue una intensidad de 1500 barl/m. Sin embargo, se alcanzó unaintensidad de 2510 barl/m y se excedió ligeramente el volumen límite de 300 l/m. Esteexceso fue causado por un retraso en la transmisión del sitio de inyectado al operador dela bomba, o debido a una reacción lenta del operador mismo de la bomba. (Esto indica ladeseabilidad de un monitoreo continuo en tiempo real y una presentación porcomputadora PC, así como el tener un paro automático de la bomba, cuando se alcancela curva GIN controladora).

En la parte inferior figura 6 (b), se grafica la penetrabilidad contra el volumen tomado V. Alprincipio del proceso de inyectado, la penetrabilidad se incrementa (de 0.2 a 0.5l/minmbar), debido a la apertura progresiva de las discontinuidades de la masa de roca.Después de una toma de 200 l/m, se disminuye la penetrabilidad en forma regular a 0para un volumen de 320 l/m.

En efecto, el proceso de inyectado se detuvo justamente antes de alcanzar este valor.



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Se considera que algunas de las irregularidades mostradas en la curva de penetrabilidadson causadas por el redondeo de algunas lecturas por los operadores. También, esprobable que ocurrieran dos o más eventos de hidrofracturamiento, que no se detectaroncompletamente por el monitoreo intermedio.

Comparación con el inyectado usual

Un proceso de inyectado ―tradicional‖ consisten en definir una presión de inyectado y elempleo de diferentes tipos de lechada, por ejemplo, lechadas con una relaciónsucesivamente menor de agua : cemento (4:1, 3:1, 2:1, 1:1 etc.). El cambio de mezcla seefectúa a volúmenes especificados de lechada tomad por la perforación. Es obvio, que lacohesión de estas mezclas se aumenta de una a la siguiente y que en algún punto laresistencia al flujo por cohesión y la penetración incrementadas detendrán el proceso deinyectado.

Con el método GIN, únicamente emplea una sola mezcla; consecuentemente la cohesiónes una constante. Conforme avance la lechada a lo largo de las fracturas, su contacto conlas paredes de las fracturas se incrementa y de esta manera la resistencia total de flujopor cohesión. Consecuentemente se deberán utilizar presiones de bombeo mayores paravencer la resistencia al flujo. Esto es un fenómeno físico normal y esperado. El métodoGIN permite que se continúe con el proceso de inyectado bajo una presión que seincremente gradualmente hasta que se alcance uno de los valores límites: la presiónlímite, el volumen, o una combinación de presión y volumen, representada por la curvaespecificada -V.

Existen otras diferencias entre los métodos tradicionales y el procedimiento GIN: elmétodo GIN siempre emplea únicamente la mejor mezcla posible con relación laresistencia, durabilidad, resistencia a la lixiviación y contracción; el GIN evita el inyectadode grandes volúmenes en forma de mezclas delgadas; el empleo de un mezcla estableevita o reduce, de un manera significativa, el riesgo de dañar la roca porhidrofracturamiento; se reducen grandemente los errores en el proceso de inyectado; y elproceso de inyectado es más sencillo y más rápido, ya que no se pierde el tiempo alcambiar de mezcla.

Resumen y conclusiones

El proceso de inyectado involucra un bombeo constante de la lechada a una velocidadbaja mediana con un escalamiento lento de la presión, conforme la lechada penetra másdentro de la masa de roca. El inyectado se detiene, cuando, el volumen inyectado alcanzaun valor límite especificado para una progresión, cuando la presión de inyectado alcanzael valor límite previamente seleccionado, o cuando la intensidad de inyectado especificadaha sido alcanzada en una posición intermedia, menor que los valores límite de volumen ypresión, como se juzga por la curva GIN previamente seleccionada.

La distancia al origen de la curva es una función de la energía empleada en el inyectado.Se puede preparar una familia de curvas para varias intensidad de inyectado, variandodesde un valor muy bajo hasta un valor muy elevado. Se puede seleccionar una curva de



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intensidad para el proyecto, o se pueden emplear dos, por ejemplo, una de alta intensidadpara el inyectado del fondo del valle y una de baja intensidad para los taludes someros delos empotramientos o en áreas geológicamente débiles.

De esta manera la envolvente limitante completa consiste de la línea de presión límite (en

el rango de 15 a 50 bar), la línea del volumen límite (en el rango de 100 a 300 litros pormetro de intervalo de inyectado), y una curva GIN seleccionada que conecta las doslíneas límite (con valores GIN que varían de muy bajos a muy elevados, por ejemplo 500 a2500 barl/m).

El método GIN requiere un monitoreo cercano por medio de gráficos de computadora concurvas de tiempo real de la presión contra el tiempo, de la velocidad de flujo de la lechadacontra el tiempo, y del volumen total inyectado contra el tiempo, además de la curvaderivada de penetrabilidad (velocidad de flujo dividida entre la presión, q/p) contra eltiempo. Esta última curva es de un valor particular, ya que señala el alcance del rechazodel inyectado, o por lo menos de absorciones que se van reduciendo.

El método GIN ha sido comprobado como una herramienta muy útil en el diseño y en elcontrol de los trabajos de inyectado. Su empleo incrementado deberá mejorar los trabajosde inyectado para estructuras hidráulicas. Ya que el método es flexible, con relación a lapresión límite, el volumen límite inyectado y el valor GIN que deberá lograrse, es probableque la experiencia obtenida en proyectos actuales y futuros, conduzca a refinamientosadicionales.



453

700

600

500

400

300

200

100

0500 100 150 200 250 300 350

3.53.02.52.01.51.00.50

P r e s i ó n d e i n y e c t a d o , p ( b a r )

Volumen inyectado de lechada V (litros/m)

Volumen inyectado de lechada V (ft3/ft)

P r e s i ó n d e i n y e c t a d o , p ( l b / i n 2 )

d"

c"

b"

x

a"y

a'

b'

c'

d'

a b

c

d

1

2

3

4

1

2

3

4

p-V Fisura abierto

p-V Fisura promedio

p-V Fisura cerrada

p-V Fisura extremadamente cerrada

x-y Hidrofracturamiento

Trayectoria

0

10

20

30

40

50

Fig. 1 Ejemplo de curvas de trayectorias de inyectado.



454

Volumen inyectado de lechada V (ft3/ft)

Volumen inyectado de lechada V (litros/m)200

200

0

100

10

0

2

0.50

500

1

2.01.51.0

150100

P r e s i ó n d e i n y e c t a d o , p ( l b / i n 2 )

300

400

500

600

70050

P r e s i ó n d e i n y e c t a d o , p ( b a r )

20

30

40

34

4

3

2

1

3.02.5

300250

3.5

350

5

5

Muy alta

Alta

Moderada

Baja

Muy baja

>2500

2000

1500

1000

<500 15

22.5

30

40

50

100

150

200

250

300

Intensidad GIN P max V max

(bar.l/m) (bar) (l/m)

Fig. 2 Envolventes limitantes propuestas para inyectado.

P

0 P 0

q

H

V q/p

H 0 H

t

t

t

t

H F

F F

a) Presión de inyectado p [bar] b) Gasto de lechada q [l/min]

c) Volumen tomado V= q dt,[l] d) Penetrabilidad

Pen= q/p,[l/min.bar)]

t

Presión de inyectado,Gasto de lechada,Volumen tomado y Penetrabilidad contra tiempo (tipico)

0= Inicio de inyectado H= Hidrofracturamiento F= Termino del inyectado

Fig. 3 Proceso de inyectado de una etapa.



455

P

PF

0 Vf V max V

B

GINF

AP max

V

q/p

0 Vf V

1

2

3

a) Curva GIN-Trayectoria de inyectado

b) Curva de Penetrabilidad

Volumen

1 Curva límite. Presión contralechada tomada

Trayectoria real de inyectadoPresión contra lechada tomada

2

Penetrabilidad contralechada tomada

3

F Punto final de inyectado

pf Presión final de inyección

Vf Lechada real tomada

Fig. 4 Proceso de una progresión (típico).

P

P max

0 V max V

A

B

Adicionales

Terciarios

Secundarios

Primarios

PERFORACIONES

Fig. 5 Ejemplo de resultados para una pantalla de inyectado.

Puntos finales de las trayectorias de todas las progresiones de inyectado (típico).



456

pq

25

20

15

10

5

00 50 100 150 200 250 300 350

q

p.v = 1500

p actual

p.V = 2500 bar.l/m

p.V = 2510

V (l/m)

Fig. 6a Presa Aguamilpa, México, Barreno 674, P, Progresión 17-22mInyectada el 3 de Diciembre de 1992, presión ―p‖ y caudal ―q‖ contra Volumen absorbido y envolvente limite de la intensidad de inyectado.

V

q/p

pen

1000 50 200150 350300250

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

P e n e t r a b i l i

d a d ( l / m . m

i n . b a r )

Fig. 6b Presa Aguamilpa, México, Barreno 674. P, Progresión 17-22m

Inyectada el 3 de Diciembre de 1992, penetrabilidad (q/p) contra volumen.



457

CAPÍTULO 16

TALUDES EN ROCAS

Este capitulo es destinado a la estabilización de declives originados por la erosión

geológica y también al diseño y estabilización de taludes excavados. Excavacioneshechas para minería a cielo abierto o para proyectos de ingeniería civil tales comoconstrucción de autopista o canales.

FALLAS DE TALUDES NATURALES

AUMENTO DEL RIESGO (PELIGRO)

Un riesgo de derrumbe (deslizamiento) puede tomar una de las dos formas (Fig. 2.1)dependen de la posición relativa del talud y la estructura o comunidad amenazada.

Riesgo de Arriba.- Cuando estructuras cuesta abajo o pendiente abajo está en peligro deser destruidas por desprendimientos, deslizamientos o avalanchas de material (Fig. 2.2.).

Riesgo de Abajo.- Cuando estructuras situadas sobre un talud o cerca de su cresta estánamenazadas por la progresiva socavación de sus cimientos como resultado de derrumbeso deslizamientos. Esto en consecuencia es un problema en las cimentaciones.

Un gran derrumbe puede ser un desastre tan severo como un terreno o una erupciónvolcánica. En noruega un grupo de estudiosos estimó que entre 1876 y 1976 más de 1400personas en este país murieron por deslizamientos de roca, suelos, nieve o hielo. Lamitad de las muertes fueron en avalanchas de nieve, la cuarta parte en desprendimientos

de roca y la otra cuarta parte en derrumbes de tierra.

Los daños más grandes fueron causados por Deslizamientos en las Rocas Altas queprovocaron olas altas como de 75 m. En Francia en el año 1248, la avalancha en lamontaña Granier en los Alpes destruyó completamente varias aldeas. Desastres similarespueden ser citados en regiones montañosas en todo el mundo.

Con el avance de la urbanización, terrenos son ocupados por primera vez; antes lasciudades que se expanden y se extienden alrededor de laderas inestables y avanzan porcerros escarpados, valles que se encuentran en el camino o deslizamientos de roca yflujos de lodo. En los Ángeles algunas de las más atractivas laderas costeras son

susceptibles de derrumbes; y para California en conjunto, el costo anual de daños porderrumbes asciende acerca de 4 veces el promedio anual.

La Geomorfología es el estudio del cambio de forma de la superficie Terrestre. TaludesNaturales son creados por la interacción de levantamientos geológicos y la erosión.Colinas y Montañas son formadas y desquebrajadas por el sol y las heladas; esculpidaspor el agua; viento y Glaciares, y los fragmentos son transportados hacia las partes bajaspor los ríos para ser depositadas en lagos y mares. El proceso es el más rápido en dondela erosión y los accidentes del terreno son mayores; a lo largo de cadenas montañosasrecientemente formadas, fallas activas escarpadas y costas oceánicas. En áreas



458

tectónicas activas, los relieves existentes de tierra pueden ser erosionadas más rápido.Consecuentemente vastas regiones de colinas tienen estabilidad mínima y el paisajeevoluciona principalmente como resultado de derrumbes de varias proporciones.Evidencia acumulada de fotografías aéreas y su examen muestra la verdaderaimportancia de derrumbamiento en áreas montañosas. En un estudio de casi 880 km2 de

las Rocallosas Canadienses en Alberta 228 derrumbes fueron identificados con 8 km2 dedeslizamiento de escombro y 96 km2 de taludes, la mayoría de los cuales temanprobablemente acumulados desde pequeños bloques caídos y volcados (Cruden1985,Eruden y Eaton 1987). Todo esto ocurrió desde la glaciación, hace 10,000 añosaproximadamente.

Hazards from

below

Hazards from

above

Fig. 2.1 Peligros de deslizamiento de arriba y abajo



460

roca que formo una represa atrás de la cual hay un gran paisaje, famoso por sus templosy monumentos Hindúes fue sumergido por un profundo y extenso lago.

Algunos accidentes como esta inundación ocurren en milenios. Por ejemplo; al menos2400 personas murieron en el encerramiento e inundación de 1933 por el derrumbe que

formó una represa en el río Min en China Central.Este riesgo continúa. El profesor Sun Guangzhargde Begin reporta el caso del acantiladoLiangzya en la ribera sur del río Yangtze. Una gran cantidad de avalanchas ocurrieron enlos años 100, 377, 1030 y 1542. El derrumbe de 1030 ocasionado por un terremoto ytorrenciales lluvias, bloquearon la navegación del Río Yangtze por 20 años, y eldeslizamiento de 1542 bloqueó el río por 82 años. El cañón es de 700 m de largo y ahoratiene 30 largas y profundas fisuras, obvies signos obvios de movimientos, la junta estatalcolocó un grupo de estudiosos para analizar y controlar el problema.

Algunas represas consecuencia de derrumbes son estables naturales, mientras otras sonprotegidas contra fallas mediante la instalación de sistemas de control de ingeniería. Elmétodo más simple y comúnmente más usado para prevenir desbordamientos es laconstrucción de canales derramadores atravesando el lecho rocoso adyacente o encimade la represa. Un ejemplo es el derramadero que atraviesa el macizo rocoso adyacenteconstruido por el cuerpo de ingenieros del ejército de los E.U. en 1981 para controlar elnivel del lago " Agua Fría " uno de los taponamientos de las avalanchas de escombro enla montaña " Santa Helena " en 1980.

INGENIERÍA DE TALUDES

INGENIERÍA CIVIL DE EXCAVACIONES

Los típicos taludes son cortes en rocas a lo largo de carreteras y más de ferrocarril queatraviesan Lómerios o terreno Montañoso. Los corredores de transportación deben tenerque mantener gradientes aceptables a través de topografía escabrosa requiriendoterraplenes de relleno (compactación tierra o fragmentos de roca) y cortes de taludes en elsuelo natural y materiales rocosos. Un balance entre la cantidad de cortes y rellenos esmanteniendo excavado solamente la cantidad necesaria para construir terraplenes. Laruta ideal minimiza distancias de transporte el costo de excavaciones separadas y eliminaoperaciones, reduciendo tiempos de riesgo de desprendimiento de roca y deslizamientosa un aceptable nivel. Parte de estabilidad es lograda dentro del presupuesto inicial deconstrucción, y frecuentemente el resto se logra sobre los años como parte del periodo decostos de mantenimiento de la carretera.

El ingeniero puede controlar la superficie de talud y la calidad del relleno en un terraplén, yde esa manera su estabilidad. De cualquier modo la estabilidad del talud en un cortedepende no solamente del ángulo de inclinación; sino también de las condicionesnaturales del terreno que varían de un lugar a otro. Las excavaciones en laderas sondificultosas porque se socavan; Intemperizan y debilitan los declives naturales que soncon frecuencia mínimamente estables. Antiguas fallas, quizás de cientos o miles de añosde antigüedad; ahora enterradas u ocultas, pueden ser reactivadas por excavaciones y



461

por cambios en el drenaje superficial o subterráneo natural. El descubrimiento de antiguosdeslizamientos puede interrumpir lo planeado e incrementar los costos de construcción.

Muchos otros tipos de construcción requieren del diseño de taludes en roca; entre ellosparedes de canales derramadores, presas y túneles portal. Sótanos y estacionamientos

subterráneos para edificios son excavados verticalmente al lado de estructuras existentesy en servicio. Pequeños movimientos no son tolerados; mucho menos un desprendimientoa gran escala.

MINAS A CIELO ABIERTO

Excavaciones a cielo abierto (Fig. 2.3) son las obras civiles más grandes y extensas; sonexcavadas tan inclinadas como es posible evitar debilitar la roca excavada. Tambiéntienden a continuar hacia lo más profundo con empinados taludes en la busca de unaextracción más económica de minerales y productos de roca. Los pozos con inclinaciónpueden tolerar muchos más grandes movimientos que otras estructuras civiles desde quetienen estabilidad justa para unos meses o años. La minería puede continuar conregularidad aun con deslizamientos activos que tienen movimientos; algunas veces de 1 ó2 m por día.

Un examen encontró que más de la mitad de los taludes de las minas o cielo abierto enlos E.U. tienen grandes paredes propensas a deslizamientos, frecuentemente más dealguna activa en cualquier tiempo en particular (Ross-Brown 1973), De 104 pozosexaminados, 35 tenían problemas menores de talud y 27 tenían serios problemas. 5aparte de 40 pozos inactivos tuvieron que ser cerrados prematuramente a causa deproblemas de talud, con un costo estimado de entre $7 millones y $20 millones de dólarespor el cierre de una mina.

Condiciones difíciles poco usuales fueron encontradas en la extracción de cobre de la islade Bougainville en Papua Nueva Guinea. El pozo fue excavado en roca volcánicaintensamente intemperizado y fracturado. Entre los problemas se tenía una precipitaciónpromedio de 5000 mm/año y 10% arriba de la ocurrencia sísmica mundial. Un análisiscondujo a un perfil de talud curvado para una pared del pozo de más de l000 m de altura;generalmente con taludes de 45° en roca competente y de 30° a 35° en rocaintemperizada y al pie de los taludes más altos donde los esfuerzos mayores prevalecían.La seguridad de la pared de la excavación dependió de un sistema de drenaje eficiente yde ensayos periódicos de roca de todo el talud.

El camino de acceso a la mina fue construido con un criterio normal para carreteras através de terrenos extremadamente escarpado, proyectando y construyendo de acuerdoal crecimiento de la excavación. Los deslizamientos desarrollados en gran medida es losestratos superficiales de suelo, ceniza volcánica y roca intemperizada obligaban a que eldiseño tenia que volver a ser revisado. El volumen eventualmente excavado fue de 10millones de metros cúbicos de material superficial intemperizado.

En adición al riesgo de deslizamiento que puede ocurrir en roca intacta o rocaintemperizada en minas, la inestabilidad en minas en roca debilitada constituye un serioproblema. Este debilitamiento puede alcanzar la roca de grano áspero o grande, el



462

escombro rueda talud abajo o montaña abajo depositándose en el fondo, previendo elestropear minas a cielo abierto de carbón se excavan represas en las faldas de las colinascercanas.

Fig. 2.3 Mina a cielo abierto Kidd Creek, Timmins, Ontario. Las operaciones en la mina no han cesado y la extracción del subsuelocontinúa.



463

Fig. 2.4 Mecanismos de deslizamiento. (a) Forma de cuchara; (b) losa; (c) cuña; (d) hundimiento; (e) trayectoria escalonada; (f)volcadura; (g) desmoronamiento; (h) mecanismos de erosión y socavación.

MECANISMOS DE DESLIZAMIENTO

CLASIFICACIÓN DE LOS DESLIZAMIENT0S

Los deslizamientos pueden ser clasificados de acuerdo a la geometría de la masa que sedeslizó; por ejemplo: deslizamientos de cuña, bloque o losa, inhundamientos o rupturassuperficiales poco profundas (Fig. 2.4). También pueden ser clasificados de acuerdo almovimiento; distinguiéndose en términos de velocidades, tales como arrastres,deslizamientos o avalanchas o en términos del tipo de movimiento, tales como plana,traslacional, o de volcadura.



464

También se puede hacer una distribución entre los mecanismos de deslizamiento queocurren en roca dura y en roca suave, tales como el barro o lodo y el escombro que sondeslizamientos característicos de suelos; pero también comunes en las juntas de rocas, laerosión de cimentaciones principalmente en esquistos y taludes de roca intemperizada, eldeslizado que ocurre en las juntas y las superficie de rocas duras y escarpadas.

Una clasificación cuidadosa proporciona al ingeniero en rocas idea sobre los mecanismosde deslizamiento y las posibles medidas correctivas.

En rocas estratificadas, una clasificación del talud puede basarse en la orientación delechado con respecto a la geometría del talud: categorías de taludes con inclinación ysobre inclinación, con inclinación invertida, oblicuos y con inclinación que se intersecta yhacia abajo tienen que ser usadas para este propósito.

IMPORTANCIA DE LAS JUNTAS Y DE LA RESISTENCIA DE LA ROCA

Los deslizamientos en roca dura son gobernados casi totalmente por el movimiento a lolargo de las juntas. El talud permanecerá estable dependiendo en gran parte de las juntasy su orientación respecto a otras juntas, en teoría se puede contar verticalmente a alturasde muchos cientos de metros permaneciendo por un tiempo estable. Mientras que la rocaque está intensamente fracturada se partirá en un límite como un suelo, adoptandoángulos de reposo de 32° a 38°.

Los derrumbes en rocas blandas pueden ocurrir por la generación de nuevas superficiesde deslizamiento en el material completamente intacto aunque puede ocurrir igualmenteen rocas muy débiles, la mayoría de las veces el plano de falla es usualmente a lo largode juntas preexistentes. La superficie deslizada puede ocasionalmente parecerse alclásico deslizamiento circular de mecánica de suelos; más frecuentemente es llana perono obstante se han visto superficies curvadas, tales como los taludes de esquisto devistos a lo largo de la rivera de canal de Panamá durante su construcción. En estratos casihorizontales son comunes deslizamientos de bloques que se encuentran entre otros dosmás estables.

DESLIZAMIENTO DE ROCAS TRASLACIONALES

DESLIZAMIENTOS FORMA DE CUÑA Y DE ESCALONAMIENTO

Los deslizamientos de asentamiento en juntas de roca son comúnmente Forma de Cuñacomo sus equivalentes en suelos (Fig. 2.4a y 2.5). Usualmente los deslizamientossuperficiales están formados por dos o más juntas en forma de elevación y escalón en unpatrón de escalera llamada falla de Escalonamiento (Fig. 2.4 e). Barton (1972) sugiereque estos deslizamientos por lo común son ocasionados por el desarrollo de una zonasobre esforzada que conduce a fallas progresivas.

Taludes en roca suave tales como las de origen arcilloso o esquistosas de lasestribaciones orientales de las montañas rocosas presentan un particular reto. Lascuencas de los ríos han sido erosionadas en tiempos geológicamente recientes, son sólomarginalmente estables y son cortados muchas veces por taludes escalonados para



465

carreteras o vías férreas. Muchos distritos residenciales son construidos en valleselevados por ser lugares deseables siendo que estos lugares están frecuentemente entrelos más susceptibles a deslizamiento.

Fotografías aéreas en las cuencas de los ríos Misuri, Peace, Atha basca y norte y Surdel

Saskatchewwan muestran deslizamientos individuales que incluyen el parteaguas el cualestá quizás de 200 a 400 m. de altura y está compuesto de un solo deslizamiento que seextiende por 5 o 10 Km. a lo largo del río (Mollard 1977). En algunas áreas el parteaguasestá formado sobre terreno removido, de esta manera es difícil distinguir deslizamientosindividuales. Estudios geomorfológicos mostraron pendientes de cuenca de 33° enpromedio en las estribaciones, reduciéndose progresivamente a entre 16° y 20° a unadistancia de 250 km. y entre 7° y 10° a distancias de 700km. de las montañas. Asociadocon esto está un cambio de la mineralogía de la arcilla de Smectitas en los planos a Ilitasy Cloritas en las altas elevaciones de la montaña. La cementación es grande y la densidades alta en las rocas más competentes cercanas en la parte de la montaña.

DESLIZAMIENTOS DE LOSA Y CUÑA

Los deslizamientos de losa y cuña son movimientos de bloques rígidos en juntassuperficiales planas. Los deslizamientos de losa son particularmente pequeñas y pocoprofundas, abarcando solamente unos bloques de roca apoyados en un solo plano básico.Las losas son formadas cuando las juntas tienen rumbo más o menos paralelo a la caradel talud (Fig.2.4 b). Las características principales predominantes de los deslizamientosde losas ocurren por lo común debido a la estratificación de rocas sedimentarias, o elalivio del esfuerzo en juntas que se desarrollan paralelas a la superficie libre del talud, porejemplo, en terrenos con granito (Fig.2.6).

Un deslizamiento de cuña es tridimensional, está apoyada en dos juntas superficiales ypuede abarcar un gran volumen de roca, la cuña es formada cuando la línea deintersección de dos juntas se sitúan con su inclinación a un menor ángulo que el del talud;esto se dice "a luz" en la cara del talud (Fig.2.4 c, 2.7).

DESLIZAMIENTO DE FOSAS. TECTÓNICAS (GRABEN)

Un deslizamiento de losa puede desarrollarse con una fosa cresta en que movimientossuministrados externamente tienden a clavar hacia abajo de la horizontal el bloquedeslizado (Fig. 2.4.d)

El mecanismo permite un deslizamiento en los planos de estratificación débiles, y la masaafectada puede ser sustancialmente mas grande que en un simple deslizamiento de losa.En las minas a cielo abierto de carbón de Forestbura al sureste de Edmonton, los taludesde 25 a 30 m. de altura con ángulos de 60° a 70° llegan a ser inestables desarrollandouna serie de movimientos de bloques hacia afuera de la horizontal con hundimientosdonde se encharcaba agua agravando así el problema, la tensión en el interior del taludgenera rompimiento en estos materiales, siendo encontrados estos rompimientos en lacima a una distancia de 5 veces la altura del talud. (STIMPSON, 1987).



466

Esto es causado por un mecanismo conocido como falla progresiva en que la superficiese desliza en vez de cortarse abruptamente todo de una vez propasándose desde el piede talud hasta la cresta. Los esfuerzos de corte son inicialmente mas altos cerca del piedel talud, y se concentran alrededor de donde se apoya el desquebrajamiento a un nivelmucho mayor que el promedio usualmente asumido para propósitos de diseño.

La concentración de esfuerzos locales excede el esfuerzo límite de la lutita, la cual sedebilita y a menudo pasa a una condición de esfuerzos residuales (RUCILENGENEERING, SEC. 11.2.5).

Banks (1972) reporta que para deslizamientos en esquistos arcillosos a los largo de larivera del Río Missouri y el Canal de Panamá; análisis profundos indicaron un grandecremento en la fuerza de corte para el tiempo siguiente a un deslizamiento; quizásprovocado en parte por fallas progresivas, y en parte por intemperismo y ablandamientode lutitas a lo largo del plano de ruptura.

Mongenstern (1977) describe un mecanismo progresivo similar. La erosión y la formaciónde valles es acompañada por asolvamientos y alzamientos. Esto causa planos deestratificación deslizables a lo largo de capas suaves; llevando esto acondiciones dondetoda cohesión se pierde; y la resistencia por fricción se reduce a un mínimo.

Un deslizamiento es provocado cuando el agua infiltrada entra en el fondo de las grietasprovocadas por tensiones, o cuando un río erosiona y socava el pie del talud, confrecuencia muchas de las superficies deslizables yacen dentro de un sólo estrato de 10 a20 m. de gruesos; así que su identificación es muy difícil, requiriendo gran cuidado deextraer e inspeccionar las muestras de núcleos de roca.

En la cuenca Bowen Australiana; los espejos de falla en lutitas arcillosas superficiales soncomunes justo encima de las vetas de carbón, quizás son de origen geológico pero sonagravadas por las carreteras construidas para la explotación. La minería causa lapropagación interior de un plano de debilitamiento, una banda de corte reduciendoángulos de resistencia al sizallaje de 7° a 13° comúnmente, además la cohesióndesaparece en este plano.

AVALANCHAS DE ROCA Y FLUJO DE ESCOMBRO

MECANISMOS

Las avalanchas son deslizamientos de movimientos extremadamente rápidos. Si bienpopularmente son usadas con hielo o nieves frecuentemente consisten en parte ocompletamente de fragmentos de roca que se comportan más o menos como un líquido.

El mismo mecanismo puede ser comparado con una corriente submarina turbulenta, enque los fragmentos son acarreados en un fluido que puede ser agua, aire o unacombinación de los dos.

El flujo se detiene antes de que se depositen las partículas en suspensión; el cual tienecasi nada de resistencia al esfuerzo cortante como un sólido licuado.Las avalanchas de



467

hielo ocurren cuando un glaciar termina en un talud inclinado de roca lisa, inclinado másde 30°. Las avalanchas de hielo con roca ocurren cuando una avalancha de hielo puedearrastrar estratos de roca durante su descenso. Las avalanchas de roca sonfrecuentemente generadas por el súbito desprendimiento de una gran y relativamentemasa de roca a lo largo de una superficie de ruptura bien definida. Los términos sísmicos

son un común provocador de este mecanismo en terrenos montañosos.Cuando una avalancha se encuentra y se mezcla con agua en su curso forma torrentes deescombro que son flujos de roca, lodo y agua; con frecuencia confinadas en canales yfluyendo de 10 a 40 km / hr (Fig.2.8). En Japón un país sísmicamente activo los laharesocurren todos los años y son de los desastres naturales más dañinos.

Un torrente de escombros, en 1845 en la montaña de Nevado de Ruiz en Colombia matópor lo menos a 1000 personas. Una catástrofe similar en la misma montaña en 1985ocasionado por una erupción volcánica mató por lo menos a 2300 personas y afectóseriamente la vida de otras 200, 000. Fue virtualmente una masa liquida de roca, hielo yagua que descendió y arrastro suelo, vegetación y más agua en su mortífera ruta alugares más bajos. Estos deslizamientos líquidos ocasionados por volcanismo sonllamados Lahares. Los factores que contribuyen en estas enormes catástrofes sonvariables, entre otros están el terreno montañoso y una alta precipitación pluvial o denieve.

Fig. 2.5 Profundo asentamiento deslizamiento en forma de cuchara, en Alberta, (arcillas y lutitas) Canada.



468

Fig. 2.6 Juntas foliadas paralelas al mundo del valle.

Fig. 2.7 Cuña de deslizamiento en el corte de una carretera cerca de Trondheim, Noruega.



469

ALCANCE Y VOLUMEN

La movilidad o alcance de una avalancha de rocas parece ser mucho mayor para grandesdeslizamientos que para pequeños. Darles (1982) trazó una gráfica extensión contravolumen para un gran número de deslizamientos de avalanchas y encontró una relación

lineal en gran escala:L = 9.95V0.33

Donde L y V son extensión y volumen de los escombros en unidades métricas.

Cuando el volumen del deslizamiento excede quizás entre 100,000 y 1 millón de metroscúbicos los bloques arrastrados se convierten en un arrollo de escombro desintegrado.Una gran cantidad puede ser acarreada muchos kilómetros de esta manera y puedebrincar cordilleras de varios cientos de metros de altura. El deslizamiento " Frank "(Fig.2.9) y otros siete en las rocas canadienses son descritos por Cruden (1976). Todostienen un volumen de más de un millón de metros cúbicos. El deslizamiento de escombre" Frank " avanzó 1 Km. verticalmente y viajó cerca de 1.5 Km. horizontales destruyendo lamitad de una aldea.

Fig. 2.8 Flujo de escombros cerca de la carretera Squamish, British Columbia.



470

Fig. 2.9 Desliz Franco

VELOCIDAD

Lo más normal es que los deslizamientos de roca viajen a menos de 4 km/hr; velocidadescatastróficas mayores de 10 y arriba de 400 km/hr pueden ocurrir en torrentes deescombros o en avalanchas. Las avalanchas de Elm y Goldar en Suiza fueron vistasmoverse de 140 a 150 km/hr. El deslizamiento que produjo el desastre en Vaiontprobablemente alcanzó de 90 a 110 km/hr. (Muller, 1968).

Grandes avalanchas de roca tienden a ser precedidas por periodos de deslizamientos omovimientos bruscos. En Vaiont en Italia, episodios de movimientos ocasionaron tresintentos de revasar el nivel en el embalse. En las dos primeras ocasiones el oleaje sedetuvo tan pronto como el nivel del agua se redujo. La tercera ocasión, tras una ola decasi 4 m, el deslizamiento la aceleró y precipitó a través del embalse y hacia arriba deltalud opuesto de la montaña. El resultado fue el derrame de la represa la cual quedóestable, pero cientos de personas murieron por el catástrofe derrame de agua en el valle.

La actividad de flujos de escombros en la Montaña Catedral en las montañas rocosas dela Columbia Británica, Canadá, comenzó en 1925 y desde entonces se ha incrementadofrecuentemente. Un típico flujo de escombro abarca aproximadamente 100,000 m3 de

materia, moviéndose a 5.5 m/s y descargando 210 m3/s a los pies de los taludes.

Cuando movimientos bruscos son predecidos por rompimiento o falla, el monitoreo puedeser usado para prevenirnos. Sin embargo los temblores pueden ocasionar una avalanchaen segundos, en tales casos una oportuna advertencia es imposible.

FALLAS SUPERFICIALES EN ROCA DURA. VOLCAMIENTO

Las losas y columnas de roca casi verticales son formadas por juntas inclinadasexcesivamente quedan paralelas a la cima del talud (Fig.2.10 y 2.4p). Las volcaduras



471

ocurren cuando son socavadas y el centro de gravedad se mueve fuera de la base desoporte. Las losas pueden girar en cualquier sentido independientemente o bajó la acciónde fuerzas transmitidas por bloques mayores arriba del talud. Las volcaduras puedenaumentar por la acción del agua y la presión del hielo en las juntas.

ROCKFALLS Y DESMORONAMIENTO DE ROCASLas diaclasas son la continua separación y fracturamiento de bloques de roca decentímetros a un metro de medida.

Hay riesgo que se pueda desarrollar además del socavamiento progresivo del talud de lafalla y rodamiento de bloques que se puedan alcanzar velocidades y alturas de rebotegrandes; la acumulación de escombro como un astragal o en la cara y base del talud.

El Diaclasamiento ocurre en el exterior a pocos metros de la cara del macizo rocoso,frecuentemente cuando la roca esta intemperizada y tiene juntas. El diario y cíclicocalentamiento y enfriamiento genera esfuerzos por dilatación, y la gran fuerza originadapor la presión del agua y la formación del hielo causan que las juntas se extiendan y losbloques se separen. La mayoría del desmoronamiento de rocas ocurre en los ciclos decongelamiento, descongelamiento y lluvias. Las fracturas permiten el cause del agua másfácil, así una vez empezado, el proceso de desintegración es acelerado. Este es detenidosolamente cuando el talud regreso a un ángulo estable por la acumulación de un depósitode astrágalo. Si el estrágalo es continuamente removido por la erosión y futurosdeslizamientos; el proceso continua.

El diaclasamiento es un factor importante en la estabilidad de los taludes de esquistos.Estrechamiento espaciadas, se forman facturas por el alivio de esfuerzos paralelas a lacara del talud y a las losas diaclasadas y deterioradas. Los estragos son removidos por laerosión de los ríos quedando los taludes descubiertos.



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Fig. 2.10 Falla de volcadura. Corte lateral del camino; abajo el diagrama de volcadura

M e a n m o n t h l y t e m p e r a t u r e ( ° C ) +20

+10

0

10

JAN MAR APR JUN SEPJUL OCT DEC

150

100

50

Month (1933 to 1970)

M e a n M o n t h l y p r e c i p i t a t i o n (

)mean monthly

temperature

mean monthlyprecipitation

total number ofrockfalls

Fig. 2.11 Variación estacional de la frecuencia de falla de roca en el cañon Fraser.British Columbia, Canada.



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REBOTES Y RODAMIENTOS

Las rocas pueden llegar a la base de un talud por caída libre, rebotes, rodamientos odeslizamientos. Las trayectorias son difíciles de predecir; requieren de estimaciones decoeficientes de restitución (la energía absorbida por rebote) y de coeficiente de daños de

rotura de los bloques. La forma de los bloques tienen gran efecto en su movimiento;boques redondeados construyen movimientos de rotación; se ha visto que las losas no. Elcomportamiento de rebotes y rodamientos fue estudiado en pruebas de campo en elmonte de San Martino, Italia, donde un deslizamiento de escombros de calizas en 1969bloqueó por completo la Ruta Nacional 36 y la cercana autopista; alcanzando parte delpueblo de Lecco. Un modelo fue construido a escala 1:160, pero fue una escala pocorealista, y confirmaciones de campo fueron necesarias. Así que siete cámaras de videofueron preparadas para seguir cerca de 400 m3 de corriente de rocas así como sudesprendimiento de un acantilado de 190 m de altura y el rebote y rodado hacia abajo deun astralajo con una inclinación de talud de 24 a 36' tres etapas fueron identificadas:impactos y desintegración, rebotes en trayectorias parabólicas de más de 200 m delongitud y arriba de 12 m de altura; y el rodamiento y desaceleración en los últimos 400 m.La altura promedio de rebote fue entre 4 y 8 m. Rocas mayores de 1 m3 rodaron dentrolos primeros 100 m después del impacto, pero unas más pequeñas continuaronrebotando. Rocas de 0.3 a 0.5 m3 alcanzaron velocidades entre 40 y 120 km/hr.

En un problema similar cerca del pequeño pueblo de Springdale Newfoundiand algunascasas fueron dañadas por cantos rodados que, después de separarse de un acantiladorocoso, rebotaron y rodaron por una pendiente del talud abajo (Fig.2.12). Algunosfragmentos en verdad penetraron la pared de una casa. Un niño fue muerto por un bloquesuelto mientras que trataba de escalar el talud. Un primer paso en la solución delproblema fue diagnosticar como el rebote; agravado por el aflojamiento de lasmicrofisuradas rocas por la congelación-descongelación (una zona de falla es visible en laFig. 2.12a).

A causa de las microfisuras, la roca no pudo ser perforada para instalar anclas. Encambio, un sistema atrapador fue diseñado consistiendo de un gavión-pared elevado porcable y malla. En algunas partes se emplearon mallas colgantes y cables. El diseño fueideado por un modelo de computadora que simulo las alturas y velocidades de rebote delos fragmentos.



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(a)

(b)

Fig. 2.12 Talud de roca desmoronada en Springdale, Newfoundland. (a) vista de arriba, que muestra la zona de falla y al fondo lacomunidad; (b) vista de abajo, que muestra el banco de roca y la pendiente del talud.



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FALLAS SUPERFICIALES EN ROCAS SUAVES (BLANDAS)

FLUJO PLÁSTICO (CREEP)

El flujo plástico es un movimiento lento, es usualmente evidente sólo en la lectura de

instrumentos o en el daño a edificios en servicio. Usualmente se confina en los pocosmetros superiores de roca intemperizada y suelo donde se desarrollan superficies decorte, con frecuencia en las superficies de contracto entre material intemperizado y nointemperizado; la mayoría del flujo plástico es temporal; con rápidos movimientos estiempos de lluvia y cuando es provocado por congelamiento y descongelamiento.

Las velocidades del flujo plástico son por lo normal como máximo de unos milímetros porhora o por día, contrastando esto con movimientos de 60 km/hr registrados en uno de losdeslizamientos en el canal de Panamá, y con el " limite catastrófico " de 10 km/hr paraavalanchas en las rocas más quebradizas.

REPRESAS DE HIELO Y ARCILLA Y DESLIZAMIENTOS DE LOSAS (LAJAS)

Las represas de hielo causadas por el congelamiento del agua en juntas y poros enregiones frías generan un aumento en el volumen del agua que puede provocarinestabilidad. El agua que es normalmente libre para fluir durante la primavera, llega acongelarse y quedar atrapada durante e invierno. La acumulación de presiones por elagua pueden inducir una ruptura en la cara de un bloque o aun en lo más profundoprovocando inestabilidad.

Similarmente una "Represa de Arcilla " es causada por la formación de una capa deproductos arcillosos de la intemperización; la capa de rocas arcillosas intemperizadasforma una represa, una barrera natural para la fuga de agua subterránea. Las rocasvolcánicas se intemperizan rápidamente en un clima tropical y pueden formar capasarcillosas de permeabilidad más lenta que las rocas con cuarteaduras profundas. Cuandola capa es suficientemente gruesa, y después de una prolongando periodo de intensaslluvias, el agua subterránea aumenta hasta que la capa intemperizada se desbarata,diluye la superficie de la roca. Escapando agua junto con roca y escombros de tierra;formando torrentes de escombro o flujos de lodo que viajan hacia abajo del talud y haciacuencas adyacentes; frecuentemente con efectos catastróficos. Avalanchas de lodo a lolargo de taludes regulares en muchas partes del Sur de América son espectacularesejemplos.

Las represas de hielo y arcillas se combinan, en menor grado a causa de deslizamientostemporales porciones de roca a lo largo de las riveras de los ríos en los esquistos del Surde Ontario. Dentro de unas décadas de exposición; los taludes formaran una capa deesquisto ablandado. Los movimientos son fomentados por socavamiento donde los ríos seencuentran con la base de los taludes, y también en temporadas por heladas yfluctuaciones de la cantidad de aguas subterráneas.

Las partes intemperizadas del macizo rocoso son menos impermeables que la rocaintacta subyacente, y su desmoronamiento promueven la interrupción del drenaje natural.El mecanismo sigue un patrón cíclico; los deslizamientos dejan la roca intacta expuesta a



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la intemperización, que es seguida por la formación de nuevas capas de rocaintemperizada.

EROSIÓN

La erosión externa es causada por la acción del agua, en menor grado el viento o el hielo;en rocas superficiales expuestas a esta acción. Los dos mecanismos más comunes son elsocavamiento por la acción de ríos u olas en la base de los taludes, y las cataratas ocascadas cuando es su caída tallan a las partes de los taludes desprotegidos.

La erosión se presenta usualmente en suelos, rocas intemperizadas y esquistos (Fig.2.13,2.14). De cualquier manera los macizos rocosos fracturados también pueden serafectados cuando escurre por ellos un flujo rápido como en un canal derramadero overtedor donde el macizo rocoso que se va erosionando necesita reforzamiento oprotección. Cuando las formaciones rocosas contienen partes solubles tales como el yeso;su disolución puede erosionar y socavar el talud.

La Erosión Interna generada por flujos de agua a lo largo de conductos que atraviesan lamasa rocosa, rara vez ocurren, solo bajo un gradiente hidráulico considerable como elperteneciente a presas y sitios adyacentes o a túneles. En tales casos el aguasubterránea puede brotar de la superficie del talud a una velocidad suficiente paraacarrear grandes fragmentos de material rocoso fuerte y resistente a la erosión.

En las orillas de las riveras de los ríos o arrecifes en el océano, la erosión en la base deltalud, escarpa y reduce su factor de seguridad (Fig.2.4g). Los escombros deslizables queson removidos, que si se acumulan derraman el talud para formar un plano de condiciónmás estable, así, las riveras que están siendo erosionadas activamente son másescarpadas que las antiguas, que alguna vez estuvieron junto a corrientes de ríos u olasdel mar. Tomando mediciones de cañadas activamente erosionadas y cañadas protegidasde la erosión en la formación arcillosa de londres, Skempton (1961) estableció unacorrelación entre ángulos de talud y las décadas o siglos desde que el socavamiento detaludes tomó lugar. Un patrón histórico similar existente sin duda para taludes enesquistos y otras rocas débiles.

En la cara del talud de un Banden (zanja), el flujo talud abajo, una vez que se incrementasobre una pequeña grieta o depresión; remueve el material intemperizado producto delpaso de su flujo. Ligeras depresiones son así ahondadas, y entonces acarrean más aguaa mayor velocidad. Este flujo rápido de agua se hace más capaz de remover fragmentosde roca que contienen cantidades de arcilla son particularmente sensitivas a quebrarse.Los suelos problemáticos del Norte de Estados Unidos; Alberta y Saskatchewan estánformadas por este tipo de desgaste de esquistos y areniscas.

DESENCADENADORES DE MECANISMOS DE DESLIZAMIENTOS

PRESIONES DE AGUA

Evidentemente, en la mayoría de lo dicho en mecanismos, el agua subterránea es uno delos más importantes agentes desestabilizadores de taludes y por consiguiente el drenaje



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es frecuentemente el remedio más efectivo para la inestabilidad. Las presiones del aguacausan levantamientos y reblandecimientos, reduciendo así el esfuerzo normal efectivo yla resistencia de las juntas superficiales al deslizamiento. También esfuerzos de tensióngeneran que grietas que se forman paralelas a la cresta y penetran a profundidades demuchos metros, estas se pueden llenar rápidamente de agua, y las fuerzas hidrostáticas

desarrolladas en ellas durante periodos de lluvia o deshielo pueden ser considerables.La figura 2.15 nos proporciona una demostración única de lo muy perjudicial que puedenser los efectos de fluido en juntas y grietas. Tomada en las laderas canadienses deldesfiladero Niagara próximo al estado de Nueva York, muestra un gran trazo de roca quefalló sobre una estación hidráulica, fue reportado que justo antes del colapso, se intentóaplicar lechada a las juntas y grietas verticales que se interceptaban paralelas a la crestadel desfiladero. La presión hidrostática de la lechada, sin ninguna presión adicional deinyección pudo generar fuerzas muy grandes que fueron suficientes para desencadenar elcolapso.

Las estratificaciones horizontales que contienen carbón con areniscas, lutitas, y esquistos,frecuentemente con las arcillas milonitas, son explotadas por medio de pozos y minas acielo abierto en Queensland; Australia; el valle Rhur en Alemania; en Wyoming, lasDakotas y Colorado en los Estados Unidos; y en Alberta y Saskachewan en Canadá. Siestas minas son protegidas de los escurrimientos, drenando bien donde se encuentran lasvetas de carbón, los problemas de estabilidad de taludes son mínimos. En regiones dondelas precipitaciones son muy altas, los pozos se inundan de cualquier modo losdeslizamientos son comunes, particularmente en minas donde se excavan taludes de70°'para dejar descubierto el carbón.

Un incremento imprevisto en la presión hidrostática es frecuentemente el "detonante final"que precipita un deslizamiento, de esta manera es típico el caso en Hong Kong dondecomunidades urbanas densamente pobladas situadas sobre y abajo de escarpadaspendientes en roca Ígnea y roca volcánica intemperizada.

Las precipitaciones promedio son de cerca de 2.2 m anualmente y que frecuentementealcanzan intensidades de 50 mm/hr., ocasionalmente 400 mm/día. Una sola tormentadurante mayo de 1982 fue seguida por un extenso deslizamiento y una inundación conuna perdida de 28 vidas. Las fotografías aéreas después del suceso revelaron más de1000 taludes diferentes que sufren fallas.

Las condiciones de inestabilidad en áreas urbanas puede ser agravada por las fugas deagua del drenaje de aguas negras y el suministro de agua potable; cantidades tangrandes como el 10 % del suministro de agua potable de una ciudad que se fugan de lared de distribución subterránea a través de las juntas en los tubos y fracturas o roturas delos mismos.

Tras un largo caso en Edmonton Canadá, un jurado dictaminó que a causa de que laciudad no pudo informar ni explicar el uso y destino de toda el agua en el sistema dedistribución hubo razón para aceptar la demanda de un residente de la parte alta del valleen el sentido de que la inestabilidad en los taludes en esquisto tenían su origen en partepor las muchas fugas de agua.



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La infiltración de lluvia y aguas negras es una causa clave de las fallas del acantilado enlos alrededores del antiguo pueblo de Orbieto, 100 km al norte de Roma. La comunidadestá construida en una meseta volcánica de 700 m de ancho por 1500 de larga, cuyas

juntas verticales delimitan "columnas" de roca que forman acantilados de más de 60 m de

altura. La meseta se apoya sobre débil arcilla Pliocena, que esta cubierta por unescombro de los fragmentos de la roca en las partes bajas de los pendientes (Fig.2.16).Registros de inestabilidad que datan desde antes del año de 1280 muestrandeslizamientos profundamente marcados en las arcillas, socavación en la meseta y fallasque pueden provocar volcaduras de bloques. El flujo de lodo; flujo plástico y la erosiónafectan los depósitos de los fragmentos de roca. Investigaciones han revelado unincremento de 4 veces en el consumo doméstico de agua para los próximos 100 años ypor consiguiente un incremento en las fugas subterráneas. Un programa de trabajo dereparación comenzó en 1980, incluye una reconstrucción de la red de drenaje de aguasnegras y del sistema de colectores de aguas pluviales, dotar de drenaje los taludes,pendientes y represas, un control en la erosión en la superficie de canales; aseguramientoy anclaje de la roca inestable en la orilla de acantilados, y una reforestación de laspendientes bajas.



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Fig. 2.13 Erosión del arroyo, roca Intemperizada y suelo residual en Swaziland.

Fig. 2.15 Colapso de una losa de roca en una central eléctrica, Niagara Gorge.



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(a)

(b)Fig. 2.14 Camellones con marchas de escombros de las minas de carbón. (a) el suelo de la parte superior es removido y después el

material de la cubierta es cortado en franjas por la draga de cable y marcado en los camellones, exponiendo la veta del carbón; (b) loscamellones pueden ser nivelados por generación. Después de 15 años, una no regeneración de las franjas de las minas por medio de

estanques trampa que haga que se asisten las arcillas suspendidas.



481

(a)

Fig. 2.16 Inestabilidad del paredón en Orvieto, Italia. Vista de Orvieto

(a)

(c)

(a) vista en planta de la colina de Orvieto que muestra el declive de los deslizamientos; (c) seccióntransversal A-A del desliz Porta Cassia localizado al noreste del poblado.



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TEMBLORES

En áreas sísmicamente activas, un temblor grave usualmente puede desencadenardeslizamientos a gran escala y desprendimientos de roca. No solo imprime aceleracionesverticales y horizontales que directamente inducen deslizamientos, también ocasiona

aumentos súbitos en las presiones hidrostáticas y en los esfuerzos de contacto normalesa las juntas, algunas veces con un reducción catastrófica en las fuerzas de fricción quehacen resistir el deslizamiento. También, los terremotos pueden modificar el drenajeexterno o interno del talud, causando por ejemplo, una obstrucción de los drenes por unimprevisto estancamiento de material fino, permitiendo que las presiones de poro seincrementen. Los temblores pueden generar temporalmente olas o navejadas enembálsese lagos, sumándose esto a los efectos erosivos de la base de taludes.

SITIOS Y METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN

Los procesos y métodos de investigación relativos a cortes en rocas, taludes, pendientesnaturales y derrumbes son discutidos aquí; siguiendo los principios generalesintroductorios a la ingeniería de rocas.

INVESTIGACIÓN DE DESLIZAMIENTOS ACTIVOS ANTIGUOS

MAPAS DE PELIGROS Y RIESGOS

En investigaciones de deslizamiento están anotados para diagnósticos la causa yextensión del problema, asignados los usos apropiados de suelo acordes al grado deriesgo, y designados y estimados los costos por estabilización.

Los riesgos incluyen la posibilidad de deslizamiento por socavación, la posibilidad y riesgode desprendimientos de roca o avalanchas de partes altas. Los mapas de riesgos ayudanen la planeación, ya que muestran la extensión del desastre que puede estar amenazadotales como deslizamientos, inundaciones y hundimientos. Los mapas de riesgos puedenprepararse para cuantificar la vulnerabilidad de una área, con frecuencia se usan escalascualitativas como por ejemplo: "alto, medio y poco riesgo".

Muchos países publican mapas de riesgo para áreas urbanas sobre montes y colinas.Perri (1983) describe la preparación de un mapa de riesgo de derrumbes para unacomunidad residencial en las colinas del Sur de Caracas, Venezuela, en una región desedimentos calcarlos con cantidades de granito y mica. Allí 1000 km2 fueron zonificadospara mostrar diferentes grados de estabilidad, usando proyección estereográficatridimensional para evaluar la orientación de familias de fracturas y juntas en relación a lasvariaciones de la topografía. Las Técnicas de clasificación de terrenos son usadas por lasoficinas de control geotécnico en Hong Kong para ayudar en planeaciones, determinaciónde uso de suelo y evaluación de factibilidades en proyectos de ingeniería.

En muchas regiones bajo riesgos (California y Japón por ejemplo) las áreas de terrenomontañoso son clasificadas con respecto al riesgo de deslizamiento asociado contemblores. Estos datos proporcionados son de valiosa ayuda para diseñar.



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EVIDENCIAS DE DESLIZAMIENTOS

Evidencias de deslizamientos pueden ser visibles en la superficie, pero son usualmentemás visibles en detalle de sus variaciones en fotografías aéreas. Sobre todo en líneasrectas con quiebres con obras características de rompimientos por tensión. Son

frecuentemente curvados, pero pueden seguir juntas o fracturas preexistentes en unpatrón escalonado.

Las grietas o rompimientos por tensión son más probables de ser observadas enpavimentos lisos o áreas con pequeña hierva.

Los bloques desplomados y la topografía errática son resultados de grandesdeslizamientos. Arroyos desviados y aguas estancadas resultan de la interrupción deldrenaje preexistente. Los patrones de vegetación pueden ser diferentes sobre elderrumbe y a lo lejos de este; especies de árboles son remplazadas algunas veces porespecies diferentes. En ocasiones árboles individualmente están inclinados cuesta arribao colina abajo, o tienen sus troncos curvados, pueden ser usados como evidencia demovimientos tan bien como para determinar la edad del derrumbe. Además la espesurade las áreas boscosas puede cambiar como resultado de derrumbes.

EVALUACIÓN DE ACTIVIDAD E INTENSIDAD DE MOVIMIENTOS

Al analizar o estabilizar un deslizamiento uno necesita información sobre el mecanismo defalla y la velocidad del movimiento descendente y la localización de la superficie dedeslizamiento.

Cuando un derrumbe se encuentra en estado latente, el ingeniero debe decidir si esprobable que se reanude el deslizamiento. Un primer paso es estimar cuanto tiempo tieneque ocurrir el más reciente movimiento, por ejemplo, por observación del terreno en losalrededores; el relleno de grietas con depósitos secundarios, y la perturbación del patrónde escurrimientos y drenaje superficial.

Un método común para determinar la profundidad de los movimientos, es perforar yextraer una muestra de la frontera entre el material en reposo o estacionario y el materialen movimiento. Para obtener resultados se requiere de suerte y una perforación conmucho cuidado, sobre todo, al explorar perforando a través de roca quebrada o que hasufrido movimientos donde resulta particularmente lento, difícil y caro, Una alternativacuando se cuenta con tiempo, es la instalación de inclinómetros y monitorear movimientospor unas semanas o meses. Si hay actividad, el plano de deslizamiento llega a serdetectado y los movimientos pueden ser medidos.

En un estudio para proponer el paso del cableado para un tranvía en el parque nacionalGros Morne en Newfoundland, una cuidadosa inspección de fotografías aéreas enestereoscopia revelaron unos 100 millones de toneladas de suelo propenso adeslizamiento en la cúspide de la montaña. Los bloques de cuarcita tenían que seracarreados probablemente muchos cientos de años, y después ser movidos otros variosmetros, yendo a reposar contra un reten de roca de estabilidad a la dilatación térmica muycuestionable, ¿Los bloques podrán moverse una vez más, y su movimiento será gradual o



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rápido?. Una perforación para sondear la profundidad y resistencia del plano dedeslizamiento resultaría muy cara a este lejano sitio. El calculo de la estabilización fueportante inicialmente basado en información de mapas geológicos superficiales. En unestudio paramétrico, las condiciones de la resistencia al corte y las del agua subterráneafueron variadas dentro de límites estimados.

Por lo cual la estabilidad no pudo ser garantizada dentro del presupuesto disponible parainvestigación, una ruta para el cableado del tranvía fue seleccionada evitando el paso poralgún posible movimiento futuro.

INVESTIGACION PARA RUTAS DE TRANSPORTE

Las excavaciones para carreteras, vías férreas, canales, líneas eléctricas y tuberíashechas en roca se extienden por considerables distancias a través de una gran variedadde terrenos. Los ingenieros seleccionan la ruta y gradiente para evitar los problemasmayores, incluyendo la inestabilidad de taludes; un lugar de investigación o pruebas espor lo tanto propuesto para identificar riesgos y así evitarlos, y en un menor grado proveerinformación para el diseño de cortes individuales.

Para ajustar la ruta y el gradiente (elevación), frecuentemente el lugar da ha elegir entreusar (para una autopista, tuberías o un canal) túneles o puentes, de está manera, lo peorde los taludes naturalmente inestables pueden ser evitados. La elección es mayormenteuna cuestión de economía que puede ser solucionada balanceando los costos extras detúneles o puentes con el costo de estabilización, protección y mantenimiento de la rocapropensa al deslizamiento.

Por su parte, la investigación depende mayormente de la existencia de mapas geológicos,y del uso barato y rápido de la fotografía aérea y de los métodos geofísicos. Lasconfirmaciones de lo arrojado por estos métodos son obtenidas por reconocimientos en elcampo, realizados sobre afloramientos y pozos de prueba, ubicados espaciadamente enlocalizaciones clave.

El canal de Panamá provee un ejemplo clásico de la escasa o inexistente investigación decampo, ocasionando demoras y elevación en los costos. En la construcción se convocópara la excavación de los difíciles cortes culebra, a 109 m de profundidad, a través de laorilla del Itsmo de Panamá. Para que el canal fuera abierto en 1914; los contratistasfranceses y americanos tuvieron que excavar al rededor de 170 millones de m3 dematerial, en lugar de los 46 millones anunciados por Lesseps. En los cortes culebra, losfranceses sacaron en excavación solo 14.5 millones de m3, un pequeño avance que mástarde los americanos finalizaron; el total de material ascendería a 75.5 millones de m3. Lostaludes casi verticales concebidos por la academia francesa de ciencias aumentaron suinestabilidad así como los cortes de las profundidades y rápidamente dieron comoconsecuencia deslizamientos hasta que se corrigió el gradiente a 1:4. La roca consistía enroca débil con fallas, y de esquistos intemperizados con macizo de lignita y arcillasexpansivas derivadas de rocas volcánicas.

En 1913, el canal se lleno parcialmente con agua, así la excavación pudo continuar máseconómica con potentes dragas. Poco después que me abierto al trafico, pequeñas islas



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emergieron aquí y allá, y en 1915 el canal fue bloqueado completamente por derrumbesde las partes altas de la orilla. Ocasionales deslizamientos continuaron hasta 1933.

INVESTIGACIÓN PARA ESCAVACIÓN DE POZOS PARA MINERÍA

Los cortes de pozos para minería y la excavación de profundos sótanos son realizados enlugares predeterminados; el ingeniero tuvo que escoger las mejores condicionesexistentes del lugar. El problema está en predecir ángulos de talud estables y sobre elrequerimiento, costo y ventajas de medidas de estabilización tales como soportes odrenaje.

El diseño de taludes requiere de información sobre la orientación y resistencia de las juntas, y de las presiones hidrostáticas actuantes en los sistemas de juntas. Para taludesque van a ser excavados, las presiones por el agua subterránea que se van a dar deescarbarlos puede ser predecida por extrapolación de la altura piesométrica medidausando modelos hidrogeológicos e información sobre la conductividad hidráulica delmacizo rocoso.

Un programa óptimo de exploración es el diseñado para satisfacer las necesidades tantode evaluación de la veta como de los mecanismos geológicos. Desde que la masa deminerales removido por excavación, hasta la pared final del pozo la roca es debilitadagrandemente. Usualmente el mineral y la roca debilitada tienen resistencia ycaracterísticas de juntas diferentes. Por esto, las perforaciones en los centros de lospozos destinados para propósitos de ensayos y repruebas pueden proveer informaciónfalsa si se aplica para el diseño de las paredes del pozo. Agujeros adicionales, barrenadosen el perímetro del pozo y alrededor de este preveen información falsa. Todo pozodisponible puede ser instrumentado y examinado para propósitos geomecánicos.

Como se ve, las perforaciones exploratorias con frecuencia no son el mejor camino paraobtener información para el diseño de taludes de pozos. La mejor y más baratainformación se obtiene por observación directa cuando afloramientos a gran escala llegana presentarse durante la etapa inicial de la excavación; que se muestra con taludesinicialmente planos y estables. Observaciones hechas cuando se sobre carga y bancosiniciales excavados son más confiables que propiedades inferidas con dificultad de lareconstrucción de corazones de roca extraídos. La mayor aplicación de perforacionesiniciales es la de establecer un diseño preliminar para evaluación de factibilidad de laexcavación, y para permitir la instalación de monitores e instrumentación para aguasubterránea.

DISEÑO DE TALUDES. PELDAÑOS

Los cortes en roca de altura considerable en una serie de escalonamientos de peldaños.Esto es una consecuencia natural de la voladura, en que sólo de 10 a l5 m de roca puedeser barrenada y volcada con suficiente exactitud en una sola exploración. También lospeldaños proveen acceso para el equipo necesario para la excavación de cada"rebanada" y dejar un nuevo peldaño para poder seguir la excavación del siguiente.



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Otra función importante es la de tener los fragmentos de roca que se puedan desprender.Esto es un requerimiento durante la excavación y para la seguridad publica en el caso decarreteras con cortes similares. Los peldaños pueden permanecer limpios de fragmentosde roca; de otro modo llegan a ser ineficaces en la protección contra fallas de material, ypueden actuar como una rampa para fragmentos de roca mayores.

En cortes para carreteras, los peldaños se suman al costo de construcción, pero reducensignificativamente subsecuentes costos por mantenimiento.

El departamento de carreteras de Colorado, por ejemplo: opina que los trabajos delimpieza y mantenimiento después de un derrumbe de rocas cuesta cerca de 10 veces elcosto de la excavación original.

Un peldaño alto estable depende de la calidad de la roca y la elección de los métodos deVoladura. La anchura es usualmente menor de 7m, dependiendo en medida del equipo detrabajo que estará sobre el escaño. El "deterioro del ángulo" (el ángulo del peldaño esdiferente al ángulo total del talud) es gobernado por la orientación de las juntasdesfavorables para evitar desprendimientos sobre el "descanso". La superficie del"descanso" debe ser graduada para ayudar en la colección de agua y deben tener zanjasde drenaje para desviar el agua lejos del área con problemas. Las zanjas puedennecesitar forros o membranas para limitar la infiltración.

En grandes cortes en pozos para minería, puede ser necesario para el diseño de laspartes más bajas y peldaños anchos que alivian los esfuerzos más grandes que sepresentan. Estos peldaños pueden ser excavados próximos al fin o la vida útil, cuando lascaracterísticas de mayor estabilidad son mínimas.

GEOMETRÍA GENERAL DEL TALUD

El talud "total" se refiere al empinado corte en roca a gran escala, ignorando los peldaños,trazando una línea imaginaría a través de los puntos centrales de los peldaños, es está lainclinación que gobierna la estabilidad general de un pozo para minería o un corteprofundo para carretera.

La secuencia desarrollada en un pozo para minería frecuentemente permitirá que el taludtotal sea seguro durante la excavación inicial y si progresivamente se va inclinando paraconseguir el menor factor de seguridad del perímetro final es aprovechado. De estamanera el ingeniero en minas puede reunir conocimientos y experiencia es mismo tiempo,y conseguir taludes finales mucho muy empinados que los que se podrían con otrométodo de selección.

Los "contra pozos" es un caso extremo en que los taludes son excavados casiverticalmente, y pueden ser marginalmente estables.

Su propósito es la extracción de minerales valiosos del centro de un pozo con la menorcantidad de extracción de roca.



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La excavación de los hoyos a "cielo" es comúnmente la última fase, llevándolos a cabocon el conocimiento de que alguna inestabilidad que se pueda desarrollar no sea degrandes consecuencias. Se debe emplear con precaución o no emplearse cuando seplanea seguir de pozo a minería subterránea. En África del Sur en minas subterráneas sedesarrollaron debajo de un hoyo "a cielo", fallas de cuña y fallas en su cresta o la

combinación de estos mecanismos, los cuales tenían que ser conocidos para saber losefectos adversos de las operaciones subterráneas.

ANÁLISIS LIMITATIVO DE EQUILIBRIO

SECUENCIA DE DISEÑO

Mientras que los peldaños individuales son con frecuencia dimensionados empíricamente,métodos más rigurosos se emplean cuando se diseña el talud total. El diseño usualmenteempleado es el simple y poderoso método limitativo de equilibrio.

Los métodos bidimensionales comunes en mecánica de suelos pueden ser inapropiadoscuando se aplica a problemas en roca; ellos asumen que un plano de ruptura puede tenerun patrón circular o curvado a través del suelo. Los deslizamientos son casi siempreocasionados en superficies no circulares y frecuentemente en patrones de juntastridimensionales. Los alcances tridimensionales de los modelos limitativos de equilibrioson visuales para el diseño cuando las condiciones de la superficie potencial dedeslizamiento son conocidas. Están frecuentemente limitados a un criterio de Mohr-Coulombo de esfuerzos lineales, que no es apropiado para rocas, pero métodos usandoesfuerzos desarrollados no lineales son ahora viables.

El primer paso en un análisis limitativo de equilibrio es el juzgar cuales mecanismos de lafalla del talud son más probables (deslizamientos de cuña o losa etc.) e identificar losestratos, jutas o fallas que gobiernan los movimientos. Discontinuidades presentes talescomo fallas, planos de estratificación, o antiguas fallas superficiales son más probables deformar planos de deslizamientos de características accidentadas. . Dibujos esquemáticosson preparados para mostrar las masas potencialmente deslizables, y su geometría esdefinida en uno o más modelos simples. Análisis de mecanismo más complejos sontambién viables; por ejemplo el deslizamiento de campana descrito.

El cálculo aproximado en esta etapa ayuda a ajustar si existe algún problema y si es justificado un análisis más detallado. Una simulación cinemática preliminar elimina defuturas consideraciones los bloques que no pueden deslizarse a causa de su trabazón,particularmente donde las superficies de deslizamiento y sus intersecciones no están "aluz del día" en la cara del talud.

Métodos gráficos son usados con más frecuencia, pero métodos computacionales hansido desarrollados para ayudar en el proceso de simulación.

Deslizamientos cinemáticos posibles son analizados en un estudio paramétrico dondeestimaciones peores y mejores para cada intervención dan límites superiores e inferiorespara el factor de seguridad del talud computado. Este cálculo puede ser hecho usando unpaquete de cálculo o con nomogramas y con información aproximada de juntas,



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resistencia al corte y presiones del agua de terminadas de un reconocimiento inicial delsitio.

Cálculos más rigurosos se llevan para datos malos. El estudio paramétrico sirve paraindicar que propiedades son las mas criticas y por lo tanto las más necesitadas de

mediciones cuidadosas.Nuevas estimaciones son obtenidas por medio de mapas detallados de juntas, porpruebas de corte, o un análisis a fondo de deslizamientos existentes para determinar laresistencia al corte; y por mediciones piezométricas y pruebas de permeabilidad paramodelar las presiones del agua dentro del talud.

El análisis es complicado por la presencia de juntas discontinuas que contienencabalgaduras con segmentos de jutas. Una propuesta es la de reemplazar juntas ycabalgaduras por una superficie continua equivalente cuya resistencia al corte sea unacombinación de las propiedades de la junta y el material intacto. Esto puede conducir auna sobre estimación del factor de seguridad, porque las cabalgaduras pueden romperseen tensión más rápido que por corte, o puede ser destruido progresivamente poresfuerzos. En análisis más detallado es posible incorporar una distribución estadística decohesión; fricción y esfuerzo de tensión; conduciendo a predicciones de naturalezapirobalística.

DISEÑOS RESISTENTES A SISMOS

Asumiendo los sismos como aceleraciones, típicamente de 0.15 a 0.25 veces la gravedad,puede ser incorporada en el análisis limitativo de equilibrio estático como vectores defuerzas en las apropiadas direcciones. En una simulación más realista descrita por Ghash,el vector de fuerzas sísmicamente inducido actúa en la dirección de máximo movimientodel suelo y es calculado varias veces por una gráfica de aceleración contra tiempo para eltemblor. Las fuerzas de desaceleración son la resistencia friccional desarrollada en lasuperficie de deslizamiento. La velocidad del bloque es determinada por integración de lacurva aceleración-tiempo. Los efectos de rocas ancladas son incluidos como una fuerzaresistiva que puede actuar en el instante que las fuerzas de aceleración exceden lasfuerzas resistivas totales, lo cual es lo mismo que introducir, en forma vectorial, un tipo defuerza restauradora instantánea.Este método permite el cálculo de un factor de seguridad para las condiciones de soportedadas. Es por lo tanto perceptible de arriesgarse al análisis, cuando la probabilidad de unevento sísmico de una cierta magnitud en un periodo de retorno específico es grandeaunque los costos adicionales se incrementen.

Las aceleraciones estimadas de los sismos son normalmente basadas en experiencias yen espectros de vibración del suelo para un temblor en particular. Las características de larespuesta del suelo a movimientos sísmicos se derivan de muchos sismos históricamenteestudiados.



489

FACTORES DE SEGURIDAD

Un factor de seguridad es definido en el método limitativo de equilibrio como la razón defuerzas tendientes a resistir y a proteger de la falla.

El verdadero significado del factor de seguridad de valor 1 es que dos fuerzas opuestasson iguales y el deslizamiento comienza; los valores arriba y abajo de 1 son difíciles derelacionar a el verdadero grado de seguridad. La verdadera seguridad, diferente al factorde seguridad es influenciada por la confiabilidad de las suposiciones analíticas,observaciones y mediciones, requieren una estática como la discutida anteriormente.

Aceptables valores varían dependiendo de la aplicación y particularmente de lasconsecuencias del deslizamiento. En taludes de minas (frecuentemente en el rango F=1.0 a 1.5) son poco conservadores con respecto a las presas (frecuentemente F =3 omás) porque menos personas están en peligro, y porque los movimientos graduales y suvigilancia dan tiempo para la evacuación del pozo. Con regularidad en una excavación; unrango de factores de seguridad puede usarse; con valores altos para taludes importantesbajo carreteras o estructuras y para escarpios de presas, y menores valores se usan paraotros taludes que son menos críticos.

La oficina de control Geotécnico de Hong Kong requiere taludes que tengan un factor deseguridad de 1:1 a 1:4 en ares donde exista alto riesgo de vidas, pero permite de 1:0 a 1:2en áreas de menos riesgo de vidas. Estos valores no son tan pequeños como puedanparecer, porque valores de resistencia al cortante conservadoramente seleccionados sonusados en su cálculo. El valor menor también incluye las necesidades paraconstrucciones en terrenos inclinados. Hong Kong es un caso poco común; donde secombinan densidades poblacionales altas con taludes muy inclinados sobre rocaprofundamente intemperizada.

MÉTODOS PROBABILISTICOS

Un método alternativo para el factor de seguridad es cuantificar la seguridad en unanálisis probabilístico determinando que segundad tiene un talud, por ejemplo, queoportunidad tiene en 10 000 de fallar en un año dado. Los métodos probabilísticos dediseño de taludes generalmente usan una versión del método limitativo de equilibrio. Elmétodo es similar al normal del limitativo de equilibrio; pero con distribuciones estadísticasasignadas para orientaciones de juntas (la dispersión es determinada de tratamientoestadístico), para aumentar el ángulo del talud i, y para el ángulo de fricción Ф. Técnicasde simulación en Monte Carlo están siendo usadas para mostrar las posiblesdistribuciones de la geometría del talud y la característica del plano de deslizamiento paraobtener gráficas de probabilidad de falla y magnitud de la falla esperada.

Esta aproximación también es imperfecta, nuevamente por la incertidumbre en laconfiabilidad de la información, y por las limitaciones del mismo método limitativo deequilibrio ¿Cómo es localizado y probado el plano?

Un problema futuro es que los propietarios de un talud pueden no estar en una posiciónde admitir un remoto chance de falla, es fácil si ellos reconocen la validez de una



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aproximación probabilística. Ellos prefieren el menos realista pero aparentemente másconcluso concepto de factor de seguridad. Esto es también la razón que cuantitativamenteanálisis de riesgo rara vez son llevados a cabo, analizando riesgos y modelandoecuaciones para admitir que el riesgo existe.

DISEÑO DE TALUDES CON NOMOGRAMASPara el caso simple de que no exista cohesión a lo largo de juntas, la estabilidad de unbloque en forma de cuña trabada por 2 planos de deslizamiento y una grieta por tensiónes una función de 6 variables, la inclinación, la dirección de la inclinación, y los ángulos defricción del plano de deslizamiento. Nomogramas pueden ser preparados para lacombinación de estas variables en grupos que dan una rápida evaluación del factor deseguridad.

Solo para el caso peor de menor cohesión es estable independientemente de la altura deltalud y del ángulo de la cara del talud. Esto sólo cuando las juntas de la roca están secas.El asumir cohesión cero introduce un grado muy conservador que es con frecuencia

justificado para taludes altos que contienen prominentes juntas o fallas, pero raramentepara pequeños peldaños o para discontinuas o accidentadas juntas superficiales. Elcálculo de estabilidad de taludes naturales usualmente muestra alguna calidad decohesión actuando. Con estas limitaciones presentes, el nomograma es una excelente ypráctica herramienta para el diseño.

ANÁLISIS DE ESFUERZOS

El método limitativo de equilibrio, si bien es el más útil para el diseño de taludes; nopredice esfuerzos, desplazamientos, o velocidades de movimientos. Para este propósito,métodos de mecánica continua tales como el análisis por el elemento finito sontípicamente empleados. Ellos pueden predecir esfuerzos y desplazamientos y velocidadessi modelos de falla son usados, y pueden predecir efectos de explosiones y sismos. Hastarecientemente los modelos han podido ser empleados para diseñar taludes porque elcomportamiento de los parámetros sigue pobremente definidos y es difícil su medición,particularmente si fallas progresivas son modeladas.

Análisis de esfuerzos y cálculos con equilibrio limitativo pueden trabajar bien encombinación. Distribuciones de esfuerzos calculados pueden ser usadas en lugar devalores promedios de esfuerzos como entrada para el análisis limitativo del equilibrio. Losdesplazamientos predecidos usando estas aproximaciones híbridas dan una útilcomparación con los resultados de los movimientos del talud monitoreando. Los métodoslimitativos de equilibrio no explican con facilidad el deslizamiento de una parte de lasuperficie de falla, algunas veces pueden ser complementados con modeloselastoplásticos de superficies, para la explicación de fallas progresivas desarrolladas.

El mismo análisis puede ser ejecutado usando criterios viscoplásticos, incorporandoefectos de tiempo, si bien es aún poco conocida su aplicación en el comportamientogeológico de juntas en rocas.



491

El más poderoso uso del análisis del elemento finito en taludes de roca de ingeniería escomo un preliminar cálculo del equilibrio limitativo, para identificar regiones de altosesfuerzos y potencial debilitamiento, cambios de distribución de esfuerzos durante laexcavación, y potenciales modos de fallas. Entonces, usando masas de roca se obtieneinformación y parámetros de esfuerzos, los métodos limitativos de equilibrio son aplicados

a modalidades críticas. Esta información también guía para la selección y ubicación delequilibrio de monitoreo.

ANÁLISIS DE VOLCADURAS, REBOTES Y RODADURAS

El método introducido por Goodman y Bray (1976) para analizar fallas de taludes demodalidad de volcadura ha seguido siendo desarrollado por varios autores. Un bloqueindividual alcanza una condición de equilibrio limitativo cuando su peso actúaexactamente a través de las esquinas más pequeñas del bloque (fig. 2. 10b). Esto puedeser expresado como sigue: Y/X = Cot A

Donde "Y" y "X" son respectivamente el largo y ancho del bloque, y "A" es el ángulo deinclinación del plano base.

Para que un deslizamiento con curvatura ocurra, el ángulo del talud mayor debe exceder ala suma de los ángulos de fricción entre los bloques adyacentes y el ángulo de sus bases.La condición cinemática para el deslizamiento con curvatura, que precede a la volcadura,puede ser mostrada en un stereoplot que da un aprueba cinemática, que es útil en lapredicción de casos potencialmente que presentan problemas.

Otros investigadores han usado contados y distintos métodos elementales para investigarfallas de volcadura. Hocking (1978) describe el método del elemento distintivo para lasimulación del mecanismo de deslizamiento de volcaduras. Desarrollado inicialmente porCundall, y ahora de uso general, particularmente en análisis de volcaduras, este métodousa la mecánica newtoniana para analizar las velocidades traslacional y rotacional y lasaceleraciones de los bloques de roca, asumiendo que son cuerpos rígidos o elásticos.Todos los modelos están limitados por la calidad de la información de entrada y por laprecisión de la estimación de la energía absorbida por cada rebote.

Las simulaciones en computadora son difíciles de calibrar sin mediciones en situ; para esose usan cámaras de alta velocidad.

Los análisis Dinámicos de rodamientos y rebotes de bloques son en particular difíciles.Piteau (1978) describió una simulación en computadora en que las fallas fueronintroducidas a diferentes alturas arriba del talud para determinar si bloques grandes en lacresta pueden alcanzar cor facilidad el pie de la montaña, algunas veces 1.5 ó 2 km abajo.Modelos como este pueden ser usados para evaluar la efectividad para determinarfragmentos de las paredes, zanjas, peldaños,) descansos en varias posiciones y alturas.

MÉTODO DEL ELEMENTO DISTINTIVO

La aproximación por el elemento distintivo, tal como fue descrito en la aplicación de unmodelo dinámico en la precedente sección y también en Ingeniería de Rocas sección



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7.2.5. Puede ser aplicada tanto a análisis estático como a dinámicos. Esta versátilherramienta es quizás la más prometedora para el diseño de taludes en roca. Lasenvolventes de esfuerzos tanto bidimensionales como tridimensionales son usados paradeterminar realistas geometrías estructurales en roca, para evaluación y generación demodos de falla, para conocer los principales fundamentos de los mecanismos de falla por

sonido, para considerar la estabilización y esfuerzo de las rocas, y para la adaptación degráficas interactivas.

EXCAVACIÓN Y ESTABILIZACIÓN

EXCAVACIÓN DE TALUDES EN MINAS

La roca blanda puede ser removida por excavadoras mecánicas pesadas, si es necesario,con ayuda de barrenadoras de percusión y ripers. Los cortes en roca muy dura requierende explosivos. Las prudentes voladuras en paredes lisas cuestan un poco más porque senecesitan de más barrenadoras y explosivos; de cualquier modo se reducen el costo totalpor dejar el talud en buenas condiciones, y da un producto de fragmentos de roca quepueden ser tratados y procesados más fácilmente. El no controlar las voladuras dacontornos desiguales, sobre fracturación, salientes y excesivas rezaga. Los costos sonincrementados por la necesidad de recubrimiento y reforzamiento extra y a largo plazo loscostos de mantenimiento por voladuras de roca pobre serán probablemente altos.

EXFOLACIÓN Y DESBASTADURAS (RECORTES)

La exfoliación debe ser complementada después de cada voladura en cada peldaño yantes de excavaciones profundas. Las paredes son inspeccionadas para remover algunaroca suelta, o instalar anclas y otras medidas de estabilización necesarias. Los trabajostienen que ser complementados mientras exista acceso, además de que es tarde para elreconocimiento de cuñas inestables o incompetentes, bloques sueltos que más tarde sonsocavados peligrando su estabilidad. La supervisión geotécnica estricta debe proteger la"galopante excavación" en donde los trabajos de estabilización se retrasan mucho.

La inspección de un parte rara vez da una verdadera guía para ofrecer un mejor métodode recubrimiento. Usualmente mucho más de la cantidad de rocas que se espera semanda hacia abajo; y otra parte de bloques aparentemente sueltos presentan problemas oes imposible el removerlos. El recubrimiento en barras es usado para superficies rocosasen buenas condiciones, y el ingeniero en rocas debe tomar la decisión de fabricarlos en ellugar y debe observar que sean bien transportados y de que si están seguros u si seperfora y atornillan. En trabajos en minas, esto no presenta problemas, pero enconstrucciones civiles, este grado de flexibilidad debe tomarse con cautela para escribirlas especificaciones.

El acceso a alturas intermedias y menores es posible con plataformas suspendidas o congrúas. El recubrimiento de las partes mas altas se pone por la parte de arriba, esusualmente colocado por trabajadores con cuerdas. La herramienta útil para recubririncluye obreros, desgarradores, perforadoras neumáticas, grúas hidráulicas y explosivos.



493

En casos especiales donde el riesgo es alto, particularmente a lo largo de rutas detransporte en áreas urbanas; la solución para estabilidad de un talud en roca es tratar depoder eliminar el problema del talud de pequeñas en pequeñas áreas, controlandocuidadosamente las etapas. En aras con alto riesgo de avalanchas de rocas o torrentesde escombros y rocas, voladuras o inyección de presiones de agua son usadas para

derribar las peligrosas rocas y la gente tiene que ser evacuada por seguridad.

(a)

(b)

Fig. 2.17 Muro liso en cortes de roca estable con poco o ningún refuerzo. (a) excavación de la central eléctrica; (b) corte de unacarretera.



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ESTABILIZACIÓN O PROTECCIÓN

Los métodos de estabilización pueden ser clasificados dentro de las Cuatro siguientescategorías:

1. Métodos de cortes y rellenos, en el que se remueve material de la cima o de otroslugares al pie del talud reduciendo el ángulo total.

2. Sistemas de drenaje que incrementan la estabilidad reduciendo las presiones del aguaen el talud.

3. Sistemas de protección contra la erosión que reducen o previenen la acción erosivasobre la superficie del talud o su base.

4. Sistemas de refuerzo y retensión que da soporte para prevenir la iniciación de fallas ydeslizamientos.

Se añaden estos tres nuevos Métodos de Protección (Fig.2.20) diseñado para evitar lasconsecuencias de inestabilidad, cuando la prevención es impractica o antieconómica.

Sistema de Retensión actúa pasivamente como una segunda línea de defensa paraprevenir los daños por fallamiento de roca a estructuras taludes abajo.

Sistema de Deflexión que ya sea que desvíen el movimiento de la masa u ocasione queesta pierda bastante energía con la cual el riesgo se reduce.

Sistema de Anulación tales como reubicación, tuneleo, o desviación de la ruta paraevitar enteramente los problemas de estabilidad de taludes.

Frecuentemente estos son combinados. Por ejemplo, Lumb (1975), Brand (1983), y laOficina Manual de Control Geotécnico (1984), describen el talud excavada en Hong Kong,en granito Masivo, intemperizado hasta profundidades de más de 50 m. Los taludes estánestabilizados usando contra fuertes de concreto, anclas y pernos en las rocas propensasa deslizamiento.

Una superficie protectora en las áreas más intemperizadas y arena obtenida del mismogranito intemperizado, la cual es colocada sobre la roca del macizo rocoso. Para estascondiciones un sistema de drenaje es de gran ayuda y muy usado.

En caso de un deslizamiento local activo, su evitación es raramente posible, y solucionesconvencionales tales como anclaje y drenaje dan lugar a deslizamientos masivos conmovimientos lentos.



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Fig. 2.18 Escalando a 10 m de altura en un corte de roca durante la construcción del Science North Museum, Sudbury, Ontario.

Fig. 2.19 Varios métodos para estabilización de taludes de roca.



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Fig. 2.20 Controles de medida para fallas de roca

MÉTODOS DE CORTE Y RELLENO

ESCALONAMIENTO

La estabilidad de un talud puede ser aumentado por un "escalonamiento", reduciendo el

ángulo total desplantando en la cresta del talud, la base para otro, mediante excavacióngeneral y banqueo, o por una combinación de varios métodos. Frecuentemente banquetasen las bases son combinadas con otras estructuras más importantes tales como gabiones,muros de contención y muros o bordos de tierra reforzada.

Los deslizamientos de escombros tienen una influencia estabilizadora, porque estosvienen de la cresta y se depositan en la base, reduciendo el ángulo de talud. De cualquierforma sus efectos positivos pueden ser puestos a discusión por la obstrucción de loscanales naturales de drenaje seguido del ablandamiento, aflojamiento y una reducción delesfuerzo cortante. Los deslizamientos de escombros deben ser removidos y remplazados



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por material con un buen drenaje, o excavados y re-compactados dejando una delgadacapa drenante.

Un corte en la base de un talud puede ser peligroso. Hutchinson advierte que " Cuando semodifica el perfil de un talud por excavación y relleno, uno debe asegurarse que ninguno

de los cortes ni los rellenos desencadenen un deslizamiento existen o potencial, nigeneren un nuevo deslizamiento local por si mismo.

EXCAVACIONES EN LA BASE DEL TALUD (PIE DEL TALUD)

La estabilidad puede algunas veces ser mantenida por excavaciones al pie de losderrumbes, generalmente cuando tiene un movimiento lento, ya sea en roca blanda oquebradiza o en suelos. Las excavaciones seguidas con un cuidadoso monitoreo de todala masa deslizable hace que el riesgo en el talud disminuya y estas condiciones puedanser mantenidas.

Evidentemente se da más para excavaciones de minería que para aplicaciones deingeniería civil. Siendo similar en concepto a " Bloques en Cuevas" en minassubterráneas, el método depende para su éxito de una firme estabilización, del control demovimientos y del avistamiento de aceleraciones catastróficas. El monitoreo de losmovimientos es la clave para el éxito de este método. Es típicamente usado cuando laestabilización completa está fuera de la solución por su costo. La eliminación o remociónde la roca intemperizada de la cresta es mucho más factible que las excavaciones en labase.

Las minas Asbesto y Jeffrey en Quebec estaban siendo excavadas con pequeñasdificultades por muchos años en condiciones de continuos deslizamientos. El volumen deroca movida tenía fluctuaciones, pero típicamente era de más de 30 millones de toneladasen una de las paredes del pozo. La roca se deslizaba lentamente de 1 a 2 mm/día, estabasiendo monitoreada usando un sistema de medición láser a distancia siendo monitoreadausando un sistema de medición láser a distancia con tarjetas reflectivas. Soloocasionalmente había movimientos acelerados con valores de 10 a 100 mm/hr, y elmonitoreo se continuó para proveer amplias advertencias para seguridad. La velocidad yla estrategia de excavación tubo que ser ajustada en respuesta a las mediciones.

DRENAJE

La previsión de un adecuado drenaje incluye el control tanto del flujo de agua superficialcomo de subterránea, lo cual es casi siempre una importante parte de un programa deestabilización.

Los más comunes problemas de estabilidad de taludes relacionados con el aguasubterránea están asociados con altas presiones de agua que reducen la resistencia alcorte en las juntas o planos de estratificación. La reducción de la presión hidrostática enun talud de roca de cerca de 7m en un proyecto redujo la inclinación de un talud paraentre 3 y 6 ' para un mismo factor de seguridad. Los beneficios en términos de unareducción de muestreos y un aumento en la recuperación de mineral pueden ser másimportantes que los costos de drenaje.



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El flujo de agua sobre la cresta hacia abajo por la cara del talud puede ser desviada porun sistema de zanjas colectoras para disminuir la erosión, y así la vegetación puede sermantenida o reestablecida. Cunetas drenantes pueden ser usadas en roca suave ointemperizada para bajar el nivel del agua que se encuentra directamente bajo la

superficie de la cara del talud para contrarrestar los deterioros de las heladas y losdeslizamientos de nieve. Los deslizamientos más grandes son estabilizados porperforaciones horizontales hoyos drenantes por gravedad que se intersectan tanto comosea posible con juntas por las que circula agua. Las Galenas drenantes pueden serefectivas cuando tratamientos a gran escala son necesarios, y cuando se trata deestabilización a gran escala son necesarios, y cuando se trata de estabilización degrandes deslizamientos, los Drenes verticales son usados mayormente para desalojo acorto plazo durante procesos de construcción.

Sumer (1988) presenta un caso histórico sobre la efectividad de desagüe en la reduccióndel daño de amontonamientos y problemas de estabilidad de paredes altas en una mina acielo abierto de carbón en Alberta. Cinco alternativas fueron estudiadas: posos verticalesen las paredes, drenes horizontales en las paredes, zanjas drenantes en toda lamina,pozos verticales en el fondo de la mina, y galerías drenantes en las paredes. La meta fuebajar el nivel del agua al nivel de la veta de carbón; después de estudios sobre el flujo deagua subterránea y modelos numéricos de las varias alternativas, condujeron a unacombinación de posos en la pared y en el fondo de la mina y zanjas fue elegida. Seincremento en la recuperación de carbón de 65 a 87 por ciento debido a que mucho máscarbón fue limpiado de los motones que se habían desplomado, y la inestabilidad en lasparedes desapareció. Un beneficio posterior fue que la calidad del carbono aumento,debido a que el contenido de humedad disminuyó.

CONTROL DE EROSIÓN

La erosión causada por la acción del drenaje o el flujo de ríos es más comúnmentecontrolada usando concreto en cunetas o paredes, paredes de gabiones, "groynes" odiques. La superficie es prevenida de la erosión por los drenes superficiales, sembradosde riego, reforestaciones y algunas veces por la aplicación de un estrato de asfalto, suelocemento o concreto lanzado.

La vegetación puede retener materiales superficiales, previene la erosión, reduce lavelocidad del agua superficial y también reduce la infiltración. Aunque es másfrecuentemente usada en taludes, la vegetación puede enraizar en rocas suaves ytambién en las juntas y en estratos intemperizados de tipo de roca más dura. Lavegetación en el talud es sólo efectiva después de que inestabilidades mayores sonremediadas por otros medios.

Las plantas de raíces profundas tales como árboles y arbustos son mucho más efectivosque los de raíces superficiales tales como hierbas matorrales y césped. En los taludespueden ser cubiertos, sembrados o directamente plantados grandes matorrales y árboles.La hidrosiembra es un método usado cuando el área a ser tratada es extensa. Unamezcla de semilla con fertilizante y un agente germinador es roceado sobre la cara deltalud por un tanque roceador.



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SISTEMAS DE REFUERZO Y RETENCIÓN

PERNOS Y ANDAMIOS, son usados para estabilizar, en pequeña escala, fallas en losas,cuñas y derrumbes menores de 3 a 4 m de profundidad. Empernar es inapropiado dondelas juntas están estrechamente juntas (bloques de 200 mm o menos) o la roca esta suelta,

por el riego de que las vibraciones del taladro causen desintegración y fracturas. Antes dereforzar, la cara de la roca deberá asegurarse por completo a la corteza. Los pernospueden ser instalados en una parrilla regular o en un sitio localizado para anclar bloquescríticos. Para una estabilización permanente, los componentes de acero deberán serprotegidos contra la corrosión.

La alta capacidad del suelo y el anclado de rocas pueden ser usados juntos o porseparado con las estructuras de retención para estabilizar parcialmente los escarpes deroca muy inestables, deslices traslacionales y grandes pedrejones. (Fig. 2.21 y 2.22).Estabilización de los taludes de una mina a cielo abierto por medio de anclado esdiscutido por Seegmiller (1974). Placas de acero o lechadas de concreto en bloque, sonusados como almohadillas que distribuyen la carga sobre la roca. El tamaño de laalmohadilla se incrementa cuando las cargas de anclado se incrementan y la roca es débilo poco cementada. Si el espaciamiento de anclado más pequeño llegara a ser necesario,resultaría más económico reemplazar las almohadillas por vigas o bandas extendidasentre las anclas. Las anclas en todos los casos deben ser lo suficientemente profundaspara asentarse en roca firme la cual no se moverá.



500

(a)

(b)

Fig. 2.21 Estabilización de roca en riscos para proteger el histórico poblado de San Leo, Italia, (a) la pequeña montaña sobre la cual sesitúa San Leo. Firmes rocas areniscas y restos sobre un estrato de lutita; (b) estabilización de la roca del risco con barras ancladas.

CONCRETO LANZADO a menudo en combinación con empernado o anclado, es unmétodo efectivo para prevenir el desmoronamiento; esto mantiene juntos bloques sueltosen una coherente malla y sella la superficie de la roca para prevenir humedecimiento o

secado. Esto ofrece un mecanismo rápido y a menudo rápida solución a los problemas defallas en roca. Si esto puede hacerse seguramente los taludes deberán ser despalmadospara remover los bloques sueltos y después sub-excavar, usualmente con herramientasneumáticas para remover grietas altamente intemperizadas o rocas debilitadas. Hoyos enlos taludes para aliviar las presiones del agua y tuberías instaladas tras el concretolanzado para drenar el agua del estrato permeable. Sin drenaje, el problema de pequeñaspiezas desmoronadas de la corteza pueden ser reemplazadas por inestabilidad de masasmucho más grandes de roca masiva y concreto lanzado.



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MUROS DE GRAVEDAD Y EN VOLADIZO, son raramente usados para retener la rocaexcepto cuando ellos forman parte de una gran estructura tal como un portal de un túnel oun contrafuerte de un puente. La alternativa de un muro de confinamiento es más atractivaque un anclado. Los tipos que incluyen albañilería en la roca, como concreto lanzado enel lugar, paneles de concreto lanzado con anclado de varillas (algunas veces encarados

con losas de roca para realzar la apariencia natural del muro) y hojas de acero apiladas omuros arqueados con anclado. (Fig. 2.22 y 2.23). Vigas ancladas con porte dealmohadillas y muro de confinamiento que cubren por completo toda la cara de la roca.

REDES DE CABLE ANCLADAS y redes retenedoras de masas de pequeños bloquessueltos o bloques individuales tan grandes como 2 y 3 m. La atadura de cables es unavariación en la cual grandes bloques de roca son soportados por cables anclados al talud.Concreto con varillas de acero verticales pueden ser usadas para puentes entre loscables. Las MALLAS ANCLADAS son un concepto similar a una red de cable ancladopero es mucho más ligero y menos caro. Mallas de acero, soldadas con autógena son unrefuerzo más enérgico contra la superficie de la roca, usando pernos.

CONTRAFUERTES NATURALES pueden ser dejados detrás como soportes, oCONTRAFUERTES ARTIFICIALES pueden ser construidos de concreto. Ellos son másusados a menudo para soportar cortes a nivel en las carreteras y cortes a desnivel en losbancos de los ríos. Remiendos de albañilería como pequeños contrafuertes son usadospara reparar cortes a desnivel en secciones de roca suelta o detrítica.

SISTEMAS DE CAPTURA Y MEDICIÓN DE LA DEFLECCION

La caída de rocas puede ser interceptada por sistemas de captura, desviadas endiferentes trayectorias o detenidas antes de dañar las estructuras.



502

(a)

(b)

Fig. 2.22 Estabilización de la carretera Cabot Trail, Cape Breton Highlands National Park, Nova Scotia, Canada. (a) perforadora derieles neumática haciendo perforaciones para anclajes en la base de esa sección del muro. (b) instalación de un cable ancla 90-t.

SISTEMAS DE CAPTURA

La variedad de sistemas de captura aumentan a métodos más positivos como refuerzo,soporte o drenaje, o pueden ser sustituidos por esos métodos donde el refuerzo no espráctico o poco económico. Para diseñar un sistema de captura, la trayectoria de la caídade la roca debe ser predicha, al igual que la velocidad en la cual los escombros es posible

que se acumulen. La capacidad de almacenaje de las zanjas y las cercas, deberá sersuficiente para evitar el desbordamiento antes de los periodos de mantenimiento.

Una cerca es derribada mientras una banca es cortada horizontalmente y en una bermase acumulan, las funciones de las tres son similares y todas son económicas y de fácilmantenimiento. Zanjas en los taludes interceptan caídos antes de que tengan oportunidadde ganar velocidad. Se sitúan a menudo en la parte más alta de la pendiente para atraparla roca cayendo del escarpe antes de que esta comience a saltar y a rodar. Zanjas depunta, tal como las zanjas de la carretera, son diseñadas para atrapar rocas que alcanzanla cúspide de la pendiente. Criterios de diseño (Fig. 2.25) son dados por Ritchie (1963).



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Si la falta de espacio impide una zanja de ser tan ancha como es necesaria, esta puedereemplazarse por una red de captura o un muro o una cortina de malla. (Fig. 2.26a). Lacontratista British Columbia ha especificado acero galvanizado calibre 11 hexagonaltorcido triple, malla suspendida por cable galvanizado de 16 mm. Cercas y muros

incrementan la capacidad de almacenaje de una zanja para que los intervalos demantenimiento puedan ser más extendidos. El sistema es diseñado para una fácilremosión de los escombros de roca acumulados. Una barrera baja puede ser formada porun terraplén normal, que guardan o protegen los caminos gaviones pero barreras másaltas pueden ser especialmente construidas.

En contraste con la mallas ancladas las cuales son diseñadas para prevenir la caída delas rocas, el propósito de la cortina de malla es prevenir la generación de cantidad demovimiento en la roca, además de reducir la velocidad de caída y la altura de caída, yademás guiar la caída de la roca a una punta de la zanja donde esta no hará daño. Lacortina de malla trabaja mejor cuando los bloques no individuales son más grandes de unmetro y cuando la pendiente es suficientemente uniforme para tener contacto continuoentre la malla y la roca. La malla es anclada en la cresta; por echadas de clavijas en laroca con un cable entre ellos el fondo debe ser dejado abierto, 1m o más encima del nivelde la zanja y solamente si una zanja angosta es requerida. La malla usualmente es hechadel calibre 9 ó 11 galvanizado, eslabonados con cadena o cable. La malla alternativa tieneun doble torcido hexagonal tejido que no se deshace cuando se rompe.

CERCAS CAPTURADORAS (mallas de contención), absorbe más energía si estánhechas de cables de acero (Fig. 2.26b y 2.27) o enredado como contrarios para rigidizarmás la cerca. Sistemas de cables suspendidos en red pueden atrapar bloques volando,tan grandes como un metro con pequeños daños para la malla. Ellas son ancladas enroca sólida o ancladas por medio de muertos en el suelo.



504

(a)

(b)

Fig. 2.23 Sistemas de retención de rocas. (a) Anclado horizontal del muro de lutita y limolita, hamilton, ontario; (b) obras de albañileríapara retención de rocas intemperizadas, Hong Kong.



505

Fig. 2.24 Pedrejón estabilizado por medio de un contrafuerte de mampostería, Cesnola, Dora Baltea Valley, Italia.



506

1

1.25

fence

W

D

3m

H

Rock slope angle Height (m)Fallout areawidth W (m)

Ditch depth D (m)

Near vertical 5 to 10 3.7 110 to 20 4.6 1.2

>20 6.1 1.2

0.25 or 0.3:1 5 to 10 3.7 1

10 to 20 4.6 1.2

20 to 30 6.1 1.8

>30 7.6 1.8

0.5:1 5 to 10 3.7 1.2

10 to 20 4.6 1.8

20 to 30 6.1 1.8

>30 7.6 2.7

0.75:1 0 to 10 3.7 1

10 to 20 4.6 1.2

>20 4.6 1.8

01:01 0 to 10 3.7 1

10 to 20 3.7 1.5>20 4.6 1.8

Fig. 2.25 Criterios de diseño para la forma de las zanjas de retención de caída de rocas.



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(a)

(b)

Fig. 2.26 Sistemas de captura. (a) cubierta de malla para controlar los desmoronamientos de roca; (b) cercas capturadoras paraprotección de edificios de departamentos bajo un corte de roca de 65 m de altura. Tsuen Wan, Hong Kong.



508

(c)

Fig. 2.26 (continuación) sistemas de captura. (c) cercas capturadoras para protección de edificios de departamentos bajo un corte deroca de 65 m de altura, Tsuen Wan, Hong Kong.



509

(a)

(b)

Fig. 2.27 Cercas de retención para protección contra caída de rocas, Val Susa, Italia. (a) Cerca anclada de atrás poco después de suconstrucción; (b) cerca que absorbe la fuerza de los pedrejones.



510

CERCAS RIEL, consisten de postes o piezas verticales de barandal colocados en lascepas u hoyos de voladuras que están llenos con concreto, además reforzados con rieleso cables ensamblados horizontalmente entre ellos cables más pequeños entre los cablesprincipales para formar una basta red o malla. Estas tienden a ser rígidas y sobrediseñadas, pero si se construyen de pedacitos de material pueden ser económicas.

MUROS CAPTURADORES (muros de contención), son más robustos que las cercas ypueden detener rocas rodando o saltando tan grandes como 2m de diámetro. Muros deconcreto son comunes en terrenos montañosos muy escarpados al igual que los formadoso preformados en pequeñas secciones o ensambladas en el sitio. Muros de gavión sonmás flexibles y observen más energía. El impacto en el gavión tiende a deflexionarse y adeformarse pero queda funcional.

ESTRUCTURAS DIVERSAS Y RELOCALIZACION

La relocalización de los sitios para caminos vías férreas, plantas de energía o presas soncaros, pero puede ser la única solución cuando los deslizamientos de rocas son extensosy situados profundamente.

La protección contra movimientos superficiales tales como avalanchas, torrentes deescombros que pueden ser a menudo proveídos de menos gastos por situar las seccionesen una ruta bajo el suelo, en un túnel o una vertiente de roca o por construcción dediversas estructuras en la parte superior de los muros del valle.

El alto costo de construcción es compensado por la eliminación de costos demantenimiento y esas alternativas pueden proveer un alto grado de seguridad.

Grandes movimientos rápidos de avalanchas y torrentes de despojos son difíciles decontrolar. Ellos deberían si es posible ser proveídos de la cantidad de movimiento por unaserie de estructuras cada una de las cuales absorberá parte de la energía (Van Dine,1985). A menudo sus canales son fácilmente identificables. Pequeñas avalanchas puedenser desviadas por medio de diversos canales que las guían lejos de las trayectoriascríticas o por la instalación de escombros que las forzan a los cursos normales.

Las más grandes pueden ser controladas usando presas de freno o de contención, en lasporciones más lisas de la corriente donde las masas se moverán más rápido.

Estas están hechas de roca masiva que muy probablemente no serán llevadas por el flujo,su extremadamente alta permeabilidad permite el flujo de agua a través de la presa bajocondiciones normales.

MONITOREO Y MANTENIMIENTO

OBJETIVOS DEL MONITOREO

Los taludes naturales inestables y los de dudosa estabilidad son instrumentados paraadvertir del inminente deslizamiento de tierra o rocas y para proveer de información parael diseño de los trabajos de estabilización.



511

En minas a cielo abierto el monitoreo provee de un medio de chequeo de la pendiente delpozo y permite la minería ininterrumpidamente bajo la más escarpada pendiente posible,asi como minimizar el desgaste de la corteza de la roca y el suelo. Adyacente a lascarreteras y otros trabajos de ingeniería civil, el monitoreo tiene además el rol de

salvaguardar no solamente el equipo de construcción sino también al público. (RockEngineering Chap. 12; Frankiin y Dentón, 1973; John, 1977; Wiison y Mikkelsen, 1978).

INSPECCIÓN Y MANTENIMIENTO

Los taludes a lo largo de las rutas de transportación en terrenos montañosos o en vallesson a menudo muy caras para ser completamente estabilizadas y un problema gratis.Inspección periódica y despalme de bloques sueltos y salientes son requerimientosbásicos de mantenimiento.

Las caras de la roca son inspeccionadas desde una distancia moderada y desde muchosángulos, usando binoculares de alto poder para detectar material suelto. Inspecciones porhelicóptero se hacen cuando el camino de acceso es difícil o no existe, por ejemplo, a lolargo de líneas de tubería o alrededor de depósitos. Registros fotográficos ayudan adecidir prioridades para el trabajo.

Lentes de telefoto y pares de fotografías aéreas son principalmente útiles para identificar olocalizar rocas sueltas. Otros síntomas de inestabilidad, tales como inclinación de árbolese interrupción de drenajes. Los métodos usados para el despalme y ajuste durante lasoperaciones de mantenimiento son las mismas que las usadas después de voladuras deroca.

AVISOS DE OCURRENCIA DE DESLIZAMIENTOS DE ROCA

A lo largo de las vías férreas y de las carreteras se atraviesan terrenos montañosos, hayla necesidad de un dispositivo para informar que un derrumbe o deslizamiento de tierra haocurrido.

Ellos dan una "última barrera" línea de defensa cuando las medidas de estabilización oprotección y los sistemas de aviso antes del hecho son muy caros o poco prácticos yproveen de una señal sobre la efectividad de cualquier sistema de estabilización quepueda ser instalado.

Las PATRULLAS son un método flexible y confiable, pero son caros y a menudo posiblessolamente en buenos climas. Simples instrumentos de monitoreo pueden ser usadoscomo indicadores de aviso para derrumbes. Extensómetros de posición simple pueden serconectados a un sistema de alarmas y cercas eléctricas y cables pueden ser colocadossobre la principal caída de roca, la cual lo romperá activando una señal. La cerca eléctricanormal de aviso usada a lo largo de las vías férreas consiste de cables encordados entrelos postes. Cables colgantes pueden ser usados cuando las caras de las rocas son muyescarpadas y cercanas al derecho de vía.



512

Los sistemas de cables tienen una desventaja de limpieza en general de la nieve queobstrucciona y han sido conocidos por dar falsas alarmas. Otros métodos que han sidoconsiderados o implementados en una pequeña escala que incluyen sismógrafos quetoman las vibraciones del suelo producidas por la caída de las rocas, televisiones demonitoreo, radar y vigas láser. (Piteau y Peckover, 1978).

PREDICCIÓN DE DESLICES DE TIERRA

Una ves que una zona de potencial inestabilidad ha sido localizada, esto hace posibleinstalar un sistema de aviso y monitoreo. La justificable extensión y costo del sistemadepende del significado del potencial de deslizamiento. Localizadas pendientes (taludes)de alto riesgo como cimas de presas o minas a cielo abierto, justifican un más grandeesfuerzo y costo que la extensión de corte de la carretera.

La detección de los movimientos provee la más directa y la más usual información enestabilidad. Comúnmente, examinación geodésica, extensómetros, despalme yobservaciones en inclinometros son usados para detectar los movimientos tanto en lasuperficie como debajo de ella. Inclusive las tensiones de falla muestran patrones demovimiento (Yamaguchi y Shimotani, 1986). Otras formas de observación tales comopresiones de agua, soporte de cargas y ruidos microsismicos pueden asistir como partedel plan completo de instrumentación, dependiendo de la situación.

Zavodni y Broadbenet (1978) reportan deslizamientos acumulativos en el tiempo de falla oel "colapso" y sugieren que las magnitudes de desplazamiento no dan un útil aviso.Usualmente la velocidad y la aceleración son los mejores indicadores de actividad dedeslizamiento de tierra; una desaceleración en el deslizamiento, es probable quepermanezca estable en el tiempo presente, mientras que la aceleración de undeslizamiento continuará hasta la falla, seguido de un deslizamiento posterior, usualmentecon una razón de desaceleración. Las opiniones respecto a los valores para ser usadosen la predicción varían. Saito (1965) sugiere falla inminente cuando las velocidades dedeslizamiento alcancen de 5 a 100 mm/día, mientras que Hungr (1981) reporta un rangomayor, desde tan pequeños como 2 mm a más de 14 m durante el día precediendo a lafalla.

Algunas ecuaciones empíricas usadas convenientemente para datos de monitoreo yselección de la predicción del tiempo de falla (tf) son listados abajo:

n

f t t

cd

))(

(Saito, 1980)

)1(

1

aek d (Varnes, 1983)

1

1

10

b

t d d d

b

Con d =d1tb (Carden y Masoumzadeh, 1987)



513

Donde t es igual al tiempo, d es desplazamiento; d en t = 0 es do; di es el desplazamientoen 1 min. y el punto es el tiempo de diferenciación (la razón de desplazamiento ovelocidad). Otros símbolos son constantes ajustadas a los datos por métodos estadísticos.

Estas ecuaciones fueron usadas en un intento por predecir estadísticamente el tiempo defalla en una mina de carbón en Alberta. (Cruden y Masoumzadeh, 1987). La predicción deresultado preciso es imposible, aunque para 3 supuestos separados de estados deaceleración de Creep, fue definida una velocidad crítica para evacuación del pozo.Usando la ecuación de Zavodni y Broadbenet (1980), la velocidad crítica fue alcanzada enun promedio de 12 hrs. antes de la falla.

El tiempo de desliz fue pronosticado con habilidad e indudablemente con una gran suerte,con un margen de unas cuantas horas, en un clásico reportado por Kennedy y Niermeyer(1971). En Diciembre de 1967 en el Chuquicatama, Chile, una mina a cielo abierto decobre, fracturas de tensión comenzaron a presentarse tras el muro de arriba de 200 m dealtura después de un temblor de magnitud 5. Varias estaciones de monitoreo fueroncolocadas incluyendo estacas para tensiones de ruptura, extensómetros de ruptura ylineales, líneas transmisoras y de grabado, y un sismógrafo. De la interrupción obtenidadel desplazamiento, el talud finalmente colapso el 18 de Febrero de 1967, fueexactamente predicho 5 semanas antes. Con esta facilidad la mina removió losescombros de las vías de acceso con un paro de solamente dos días y medio, evitandopersonal herido y daños en el equipo.

En 1979 un desliz de roca en la mina de asbesto, King Beaver en Quebec, se interrumpióel tráfico en la rampa de arrastre. Evitando trabajos de estabilización, los caminos fueronreinstalados por medio de alguna re-nivelación, mallas de acero y anclados. (Bullock,Underwood y Frankiin, 1980; Frankiin, 1990). Solo con monitoreo el sitio del tráfico podríareestablecerse de nuevo. Un sistema de Falla-segura fue instalada, el cual consta de sieteextensómetros independientes que pasan por debajo y a través de la rampa cada unoconectado a un switch eléctrico. El movimiento en cualquier estación extinguirá una luzverde, la cual activará una luz roja, esta a su vez la sirena de alarma en la cabina decontrol. El controlador debe, de día y de noche contactar por medio de radio cada camión,podría a la vez dirigir el tráfico. Medidas de respaldo fueron hechas por un inclinómetro yexámenes geodésicos. El camino fue reabierto al tráfico tan solo después de probar lossistemas de aviso. Durante las semanas iniciales de monitoreo este caerá rápidamente, ymuchas de las alarmas se activarán por movimientos de arriba de 20 mm. Losmovimientos han de continuar variando temporalmente, pero los sistemas de alarma hanpermitido que los caminos permanezcan en servicio.

En la mina a cielo abierto de 350 m de altura, premier Diamond en Sudafrica, ha estadoexperimentando deslizamientos de cantos que disminuyen el mineral, bloques eincrementa la ventilación. (Bartiett y Raubenheimer, 1988). Usando métodos de prueba ymonitoreo en un caso dio seis semanas de aviso antes de la falla de la cuña.

Una dificultad con la predicción de eventos improbables, aun usando datos de monitoreode tiempo real, cabe la posibilidad de demasiadas falsas alarmas. La pendiente puedeacelerarse durante un periodo de fuerte lluvia, después reestabilizarse. Los criterios de



514

aviso pueden por lo tanto ser desarrollados cuidadosamente y adaptados a lascondiciones apropiadas al sitio de construcción.

El monitoreo debería ser usado como parte de un programa integrado de geomecánica,no solo como una "bola de cristal" para predecir los deslizamientos.

(a)

(b)

Fig. 2.28 Mina King Beaver inestabilidad y monitoreo del tirón del camino, asbestos Quebec, Canada. (a) y (b) vistas del deslizamientode roca instrumentado con un sistema de alarma falla-segura.



515

Fig. 2.28 (continuación) mina King Beaver inestabilidad y monitoreo del tirón del camino, asbestos Quebec, Canada. (c) monitoreosuplementario en la profundidad usando un inclinómetro (sonda).



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CAPÍTULO 17

EXPLOSIVOS

INTRODUCCIÓN

Un explosivo es un compuesto o una mezcla de compuestos químicos que al contacto conel calor, la fricción o el impacto experimenta una violenta descomposición que producecalor y gases. Los gases producidos ejercen presiones enormes a temperaturaselevadas. El trabajo hecho por un explosivo depende primordialmente de la cantidad decalor desprendida durante la explosión. El termino detonación indica una reacción muyrápida o casi instantánea, y deflagración una reacción lenta (quemado rápido). Ladetonación y la deflagración son las reacciones de los explosivos denominados de alta ybaja potencia, respectivamente; los explosivos comerciales, exceptuando la pólvoranegra, son explosivos de alta potencia.

Definición: Un explosivo es una mezcla entre sustancias sólidas y liquidas que al seriniciados reaccionan con una ignición violenta liberando una gran cantidad de energía enun tiempo muy corto.

Existen en el increado una gran cantidad de explosivos y cada uno de ellos tienecaracterísticas propias. Cada una de ellas es muy importante y requiere ser evaluada conmucho cuidado para determinar el potencial de un explosivo.

Las características de cada explosivo son:

-Peso volumétrico: es el peso por unidad de volumen.

-Velocidad de detonación: velocidad a la que la reacción explosiva se extiende a través dela columna de explosivos.-Presión de detonación: Presión en la zona de choque adelante de la zona de reacción.-Presión de explosión: presión que ejercen los gases producto de la explosión inicial.-Balance de oxigeno. El balance adecuado propiciará la máxima liberación de energía conuna mínima emanación de gases nocivos.-Energía: potencial del explosivo para realizar un trabajo.-Potencia: trabajo útil que realiza un explosivo.-Sensibilidad: propiedad que tiene la onda de propagarse de cartucho a cartucho o decontinuar a través de una columna.-Diámetro crítico: Diámetro mínimo con el cual un explosivo detona.

-Sensitividad: Propiedad de los explosivos a ser iniciados con los principales detonadores.-Gases: productos resultantes de la ignición de un explosivo.-Estabilidad: Inalterabilidad de un explosivo en condiciones normales de almacenamiento.-Resistencia al agua: propiedad de conservar las características físico químicas aun bajoel agua o en presencia de humedad.-Flamabilidad: potencial de un explosivo a ser iniciado por agentes diferentes a losdetonadores durante el manejo y/o almacenamiento.-Eficiencia: Energía que genera un explosivo en el momento de su detonación.-Compresión: fuerza que genera la reacción violenta del explosivo contra las paredes quelo contienen.



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DIVISIÓN DE LOS EXPLOSIVOS

En general los explosivos se dividen en:

a) Agentes explosivos.

b) Altos explosivos-Hidrogeles-Emulsiones

Agentes explosivos ANFO

Sin duda son los explosivos más utilizados en el mundo por su bajo precio y alto potencialenergético, son productos formados por la mezcla de nitrato de amonio y diesel en unarelación de 0.943:0.057 cuya energía explosiva depende de la calidad del hidrocarburo

ANFO son las siglas de Amonium nitrate and fuel oil.

El ANFO es el explosivo que se usa de referencia para evaluar el poder energético deotros explosivos con cualidades químicas diferentes.

Altos explosivos

Hidrogeles: así se nombra a los explosivos hechos a base de agua, también conocidoscomo gelatinas. Estos explosivos tienen en su fase oxidante agua y en su fasecombustible sólidos suspendidos en una solución que se ligan molecularmente.

Emulsiones: Es uno de los explosivos comerciales mas recientes, una de las principalescaracterísticas de las emulsiones es su rápida reacción a los detonantes o iniciadoresdebido a la interacción entre las fases que la conforman.

Las emulsiones son mezclas entre agua y aceite que al ser agitadas apropiadamentelogran una compenetración entre su fases interna y su fase externa. La fase interna estacompuesta de una solución de oxidantes suspendidos rodeadas por la fase externa quees el combustible. La emulsión se estabiliza contra la separación de los líquidos por mediode un agente emulsificante.

DESCRIPCIÓN DE LOS EXPLOSIVOS COMERCIALES DE LA MARCA ICI

l. Agentes explosivos (ANFO)

1.-Anfomex X.

-Descripción: material seco granular amorfo, color rojo.-Ventajas: bajo costo, mejor distribución en el barreno por ser amorfo.-Usos: Se utiliza como carga de columna en trabajos a cielo abierto, se utiliza comoagente explosivo en trabajos de plasteo y moneo.-Recomendaciones: no utilizarse en barrenos húmedos.-Propiedades:



518

Densidad 0.85

Velocidad de detonación (m/s) 3200

Presión de detonación 13.7

RWS 100

RBS 100

ASV (K/j1000gr) 377

Sensitividad a cápsula No. 6 no

Sensibilidad /

Resistencia al agua no

Empaque 25 kg./saco

2. ANFO B.D. (Baja densidad)

-Descripción: material seco granular amorfo, color rojo.-Ventajas: bajo costo, mejor distribución en el barreno por ser amorfo, disminuyevibraciones.-Usos: Se utiliza como carga de columna en trabajos a cielo abierto, se utiliza comoagente explosivo en trabajos de plasteo y moneo.

-Recomendaciones: no utilizarse en barrenos húmedos.-Propiedades:

Densidad 0.65

Velocidad de detonación (m/s) 2800

Presión de detonación 12.5

RWS 96

RBS 74

ASV (K/j1000gr) 361

Sensitividad a cápsula No. 6 no

Sensibilidad /

Resistencia al agua no

Empaque 25 kg./saco

ll. Altos explosivos

1.-Godyne (Hidrogel)

-Descripción: Gel color aluminio empacado en cartuchos tubulares de polietileno de altadensidad.-Ventajas: Alta velocidad y contenido de energía, provoca una mejor fragmentación, inerteal fuego directo, inerte al impacto de bala calibre 30.-Usos: por sus características se usa como agente iniciador o solo en barrenos con agua,para la apertura de túneles, zanjas, cortes, etc.-Propiedades: este explosivo se divide en tres tipos de acuerdo al diámetro del empaqueque lo contiene.



519

PropiedadesDiámetropequeño

Diámetrointermedio

Diámetrogrande

Densidad 1.2 1.2 1.2

Velocidad de detonación (m/s) 4500 4600 5000

Presión de detonación 61 63 75

RWS 115 96 96

RBS 164 137 137

ASV (K/j1000gr) 433 363 362

Sensitividad a cápsula No. 6 si si si

Sensibilidad 0°C 0°C 0°C

Resistencia al agua excelente excelente excelente

Vida útil en condiciones normales dealmacenamiento 6 meses

6 meses 6 meses

Clasificaciones de gases Clase 1 Clase 1 Clase 1

III. Emulsiones

Aun sin un nombre comercial definido; las emulsiones sensitivas son el último desarrollode los explosivos comerciales que, por su eficiente desempeño y seguridad en su manejohan desplazado a otros productos.

-Descripción: Producto de consistencia cremosa, color blanco, empacado en tubos dePolietileno de alta densidad-Ventajas: Alta velocidad y contenido de energía, provoca una mejor fragmentación,sensible a la cápsula No. 6, seguro y fácil de manejar, inerte al fuego directo, inerte alimpacto de bala calibre 30.-Usos: se usa como carga de fondo en operaciones de tajo abierto, canteras, enconstrucción de zanjas, cortes para carreteras, etc.-Propiedades: este explosivo se divide en tres tipos de acuerdo al diámetro del empaqueque lo contiene.

PropiedadesDiámetropequeño

Diámetrointermedio

Diámetrogrande

Densidad 1.1 1.18 1.18

Velocidad de detonación (m/s) 5000 5200 5400

Presión de detonación 69 80 86

RWS 81 81 81

RBS 106 114 114

ASV (K/j1000gr) 305 305 305

Sensitividad a cápsula No. 6 si si si

Sensibilidad - 5°C -5°C -5°C

Resistencia al agua excelente excelente excelente

Vida útil en condiciones normales dealmacenamiento 6 meses 6 meses 6 meses

Clasificaciones de gases Clase 1 Clase 1 Clase 1

DISPOSITIVOS INICIADORES

Definición: Un dispositivo iniciador puede se un elemento o conjunto de elementos quetienen la función de iniciar la reacción de la columna de explosivo.



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En cualquier operación de voladura se obtendrán los mejores resultados si los dispositivosde iniciación son elegidos tan cuidadosamente como el explosivo mismo.Los dispositivos de iniciación se utilizan para:

1. Iniciar las cargas de explosivos.

2. Proporcionare transmitir una flama para iniciar una explosión.3. Llevar una onda de detonación de un punto a otro o de una carga a otra.

Existen dos categorías de dispositivos iniciadores, eléctricos y no eléctricos. Los cualesno se detallan 8n este escrito debido a que ese no es el propósito de estos apuntes.

DISEÑO DE VOLADURAS

Una voladura es la acción de romper en fragmentos remisibles y transportabais con losmedios de que se disponen en la obra un macizo de material pétreo que no pueda seratacado por otros medios.

Parámetros de una voladura a cielo abierto:

-Diámetro del barreno-Bordo: distancia de la base del talud, tomado como un triángulo.-Espaciamiento: Distancia que separa a cada barreno.-Taco: cubierta de material inerte que cubre la columna de explosivo.-Altura del barreno: distancia vertical del barreno o profundidad de este.-Longitud de perforación: distancia vertical total de la perforación-Carga de fondo: Carga explosiva que va en el primer nivel de la columna de explosivo,puede ser de material de más rápida reacción explosiva que el usado en la columna deexplosivo.-Carga de columna: Longitud vertical ocupada por el explosivo principal.

En el diseño de una voladura intervienen los siguientes factores:

1. Tipo de roca2. Tipo de explosivo3. factor de carga4. factor de energía5 Geología estructural6. Simetría de barrancón7. Forma de cebado8. Utilización de retardos

1) Tipo de roca: La velocidad de la propagación de ondas a través de un macizo rocoso esvariable en función de la densidad de las mismas, la composición es también un factorImportante, por ejemplo muchas rocas duras se rompen más fácilmente que algunasrocas suaves.



521

Propiedades de las rocas y su influencia con el resultado de las voladuras: las rocastienen características intrínsecas a su origen y a los procesos geológicos queposteriormente han actuado sobre ellas.

Propiedades de las rocas:

Densidad. Normalmente la densidad de una roca y su resistencia se encuentran en unarelación directamente proporcional, en general, las rocas de baja densidad se deforman yrompen con mayor facilidad, requiriendo un factor de energía relativamente bajo, mientrasque las rocas densas requieren de una mayor energía para ser fragmentadasaceptablemente.

Porosidad. En este aspecto existen dos tipos de porosidad, una que es heredada de suorigen y otra que es consecuencia de factores de disolución de la roca, la primera, cuyadistribución en el macizo rocoso puede considerarse uniforme provoca dos efectos:

1. Disminución en la energía en la onda de choque.2. Reducción a la resistencia dinámica de choque y consecuentemente incremento de latrituración y porcentaje de finos.

El trabajo de fragmentación de rocas muy porosas se realiza casi en su totalidad por laenergía de burbuja, por lo que deberán observarse las siguientes recomendaciones:

-Utilizar explosivos ANFO-Implementar el desacoplamiento de cargas en caso de alto explosivo.-Retener los gases de voladuras a alta presión con una longitud y un tamaño adecuado.-En barrenaciones de banco es conveniente tener una buena simetría y paralelismo a lolargo del barreno en la cara libre.

Por otro lado, la porosidad de post-formación es más aleatoria en el macizo rocoso. Laintersección de las discontinuidades de este tipo con el barreno no solo provocanproblemas técnicos durante la perforación sino que también pueden influir en la eficienciade las voladuras.

Si los barrenos no intersectan las cavidades también puede haber bajo rendimiento delexplosivo por:

a) La prematura terminación de las grietas radiales al ser interrumpidas en su propagaciónpor los huecos existentes.

b) La rápida caída de presión de los gases al intercomunicarse el barreno con lascavidades, y por ello el frenado de la apertura de grietas radiales al escapar los gaseshacia los espacios vacíos.

2. Tipo de explosivo: Es importante conocer las características de los explosivos que seutilizaran en los disertos de las voladuras.



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3. Factor de carga: se define como la cantidad de explosivo por unidad de volumen o depeso del material por remover.

4. Factor de energía: depende del tipo de explosivo que se este utilizando, este factor semide en unidades de energía por unidad de volumen o de peso del material por remover.

5. Geología estructural: Las estructuras geológicas, tales como las fisuras, oquedades,fallas, potencia y posición de los estratos.

En rocas fisuradas, las voladuras deben planearse tomando en cuenta la magnitud de lasfisuras, los patrones de barrenación no deben ser muy amplios y se deben utilizarexplosivos tipo ANFO.

En rocas estratificadas debe buscarse que la inclinación del barreno permita penetrar losplanos de contacto, ya sea si la estratificación tiende a la horizontal o a la vertical.

6. Simetría de barrenación: El paralelismo de barrenos, así como la simetría del patrón debarrenación son factores que intervienen en la homogeneidad de la fragmentación de lavoladura.

Cuando no se toman en cuenta estos factores, los resultados esperados serán pocohomogéneos, resultando en unos lugares voladuras muy buenas y en otros muy malas.

Uso de explosivos en Rocas

La teoría esta soportada por la práctica de tal manera que el diseño de voladuras serealiza más por la relación entre parámetros que mediante fórmulas teóricas.

Es necesario comprender como trabaja el explosivo en la roca para lo cual se requiere elconocimiento de las propiedades de dos elementos, la roca y los explosivos.

En relación a la Roca:

Calidad. En función de su estructura y resistencia (caracterización del macizo rocoso). Porejemplo, Dureza, anisotropía, homogeneidad, flujo de agua, etc.

Mecanismo de fragmentación:

Los mecanismos de fragmentación están diseñados para romper la roca por tensión, cortey flexión más que por compresión.

La explosión o voladura ocurre por oxidación o reducción de combustible a alta presión.Se producen temperaturas de 5000°C y presiones que varían entre 15000 y 150000Kg/cm2, con velocidades de las ondas de choque de entre 2000 y 7000 m/s.

El trabajo realizado por 1 Kg de TOVEX es de 580 ton-m/seg o sea que puede levantar 1ton. A una altura de 580 m. en un segundo, equivalente a 5800 KW y 100 Kg a 580 000KW.



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Ingredientes y composición de los explosivos

La mayor parte de los explosivos comerciales son mezclas de compuestos que contienen4 elementos básicos: carbón, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno. Otros compuestos conelementos tales como: sodio, aluminio y calcio se incluyen para producir ciertos efectos

deseados. Como regla general todos estos componentes deberán tener un balance deoxígeno correcto.

Ingredientes Función

Dinitrato glicol etilenoBase: baja el punto decongelación

Nitrocelulosa Base: agente gelatinizante

Nitroglicerina Base

Tetranitro-diglicerinaBase: baja el punto decongelación

Nitroengrudo (Nitrostarch)Base: explosivos sin dolor decabeza

Nitrocompuestos orgánicosBase: baja el punto de

congelaciónTrinitrotolueno (TNT) Base

Polvora negra Base:tendencia a deflagar

Tetranitrato de pentaeritritol(PETN)

Base:fulminantes, cordóndetonante

Azida de plomoBase: empleado enfulminantes

Fulminato de mercurioBase: se empleaba enfulminantes

Nitrato de amonio Base: portador de oxigeno

Oxígeno líquido Portador de oxígeno

Nitrato de sodio Portador de oxígeno

Nitrato de potasio Portador de oxígeno

Carbón mineral CombustibleCarbón vegetal Combustible

Parafina Combustible

Azufre Combustible

Combustóleo Combustible

Pulpa de madera Combustible: absorbente

Negrohumo Combustible

Tierra de diatomeas Absorbente: previene elembarrado

Gis Antiácido

Carbonato de calcio Antiácido

Oxido de zinc Antiácido

Cloruro de sodio Reductor de flama

Clasificación de los explosivos

Un explosivo base es un sólido o líquido que bajo la acción de suficiente calor o impactose transforma en un producto gaseoso con acompañamiento de energía calorífica.

Un agente explosivo es cualquier material o mezcla compuesta por combustible y unoxidante de tal modo que ninguno de sus ingredientes sea explosivo base, esto es, que laadición de un ingrediente explosivo como el TNT cambia la clasificación de la mezcla delagente explosivo a explosivo



524

Cordón detonante

Consiste de un tubo de plástico resistente al agua que se protege con una cubiertaresistente al agua, a la tensión, a la abrasión y a la flexibilidad. Dentro del tubo de plásticoestá el núcleo o corazón constituido por un alto explosivo, usualmente PETN, la cantidad

de esté varía entre 1 gr./pie 400 gr./pie y se producen en diferentes potenciasHidrogeles

Son los explosivos más recientemente desarrollados y actualmente son los más utilizados.Se fabrican en formulaciones tanto de agentes explosivos como de explosivos, contienealta proporción de nitrato de amonio parte del cual esta en solución acuosa.

La dinamita pura esta compuesta por: Nitroglicerina (NG) y Sílice (S¡0 2) en proporción50% (NG) y 50% (Si02).

La pólvora negra es el explosivo comercial más antiguo con composición de Nitrato dePotasio (75%), Carbón vegetal (15%) y azufre (10%). Se usa en forma limitada en rocasblandas.

Velocidad de detonación

La propiedad sola más importante considerar al evaluar a potencia de un explosivo es suvelocidad sónica y puede ser confinada o no confinada.

La velocidad de detonación confinada es una medida de la velocidad con la que viajan lasondas de compresión a través de una columna de explosivo dentro de un barreno u otroespacio confinado.

La velocidad no confinada se obtiene cuando se detona el explosivo a cielo abierto.

Presión de detonación

La presión de detonación esta en función de la velocidad de detonación y la densidad delexplosivo. Esta relación es compleja y la siguiente expresión es una de lasaproximaciones obtenidas:

D

DC x P

8.01

1018.4 27

Donde:P = presión de detonación en Kbar, lKbar= 140504 Ib./pig.D = densidad.C = velocidad de detonación en pies/seg.



525

Calidad de gases

La detonación ideal de los explosivos comerciales deben producir vapor de agua, bióxidode carbono y nitrógeno. Sin embargo gases venenosos como el monóxido de carbono yóxidos de nitrógeno (gases nitrosos) se forman muchas veces. En excavaciones a cielo

abierto los gases venenosos no son importantes, por el contrario en túneles oexcavaciones subterráneas.

Criterios para la selección de un explosivo

La selección del tipo más adecuado está en función de las propiedades geomecánicas dela roca como son: estructura, dureza, densidad, resistencia, humedad, ventilación, etc. Yde la fragmentación obtenida, altura y proyección del banco. En general la velocidad dedetonación debe ser igual a la velocidad sísmica del macizo rocoso. (Velocidad de ondasP de compresiones primarias).

AccesoriosCápsulas de detonación o estopines

Los estopines eléctricos son los accesorios más utilizados para iniciar o detonar losexplosivos potentes. La cápsula puede insertarse directamente en el cartucho o sujetarsefuertemente al cordón detonante. Una cápsula eléctrica consiste de dos alambres aisladosinsertados en una cápsula de metal que están conectados por un delgado filamento dealambre que forma un puente. El cordón detonante es un explosivo de alta potencia queexplota con una gran producción de aire.

AISLANTE DE PLASTICO

CARGA DE ALTO PODER (PETH Ó

CAPSULA DE ALUMNIO O DERDX)

COBRE

SENSIBLE AL CALOR

CARGA DE RETARDO MUY

CARGA PRIMARIA (PETN Ó RDX)

ALAMBRE DE COBRE SOLDADO A

PLACA DE COBRE CUBIERTA

PUENTE FUSIBLE(FILAMENTO)

CAMARA

LA PLACA

CON FOSFORO

CAPSULA ELÉCTRICA O ESTOPIN

FUNDA DE PLÁSTICOALAMBRE PROTEGIDO CON

SELLO IMPERMEABLE

ENGARGOLADO O TROQUELADO



526

Alambre para conexión

Estopín eléctrico

Cartucho

Hacia la máquinaexplosora

Hacia la máquinaexplosora

Cinta aislante

Cordón detonante

Nota:Cubrir con la cinta aislante los extremosde los estopines y del cordón detonante.

Alambre paraconexión

2 estopineseléctricos

Formas de colocación de los estopines eléctricos

MECANISMOS DE FRAGMENTACIÓN

Las rocas normalmente son más resistentes en compresión y trituración que por tensión.Por ejemplo algunas calizas tienen resistencia a compresión entre 250 y 1500 Kg. /cm2 yresistencia en tensión tan baja como 35 a 150 Kg. /cm2.

Por otro lado los explosivos y agentes explosivos utilizados producen presiones entre 18000 y 150 000 Kg. /cm2 que reacciona contra la roca y produce un impacto, o impulso de

igual presión en todas direcciones a lo largo del perímetro del agujero. La roca en todaesa región es pulverizada hasta una distancia limitada del orden de φ/4.

-La aplicación súbita del impacto es seguida por la producción de alta presión queintroduce ondas de esfuerzos compresionales que rápidamente penetran en forma deabanico a través del macizo rocoso como ondas elásticas.

-Parte de la energía transmitida a través de las ondas compresionales es reflejada yrefractada por cambios de densidad o discontinuidades de la estructura. El resto de laenergía tiende a mantener su dirección original de viaje.



527

-Si un golpe es ejercido a una partícula la energía es transmitida en la dirección deaplicación del golpe hacia las partículas adyacentes hasta que la energía es consumidacomo resultado del trabajo realizado y por efectos como fricción, amortiguamiento,fragmentación, etc.

-La mayor parte de las rocas son cohesivas y algo elásticas teniendo diferentes efectosque los producidos en fragmentos sueltos.

EFECTO DE VIBRACIONES

Tipo de ondas sísmicas producidas

Las ondas sísmicas que provienen de una voladura se propagan, fuera de la zona en laque se producen deformaciones permanentes, de tal forma que des pues del paso de laonda las partículas de la roca regresan a la posición original.

Las principales ondas producidas son las ondas de compresión y las de corte, llamadasondas tridimensionales.

La onda de compresión se desplaza a través de la roca alternativamente comprimiendo ytensionando a su paso las partículas de roca, moviéndose en el mismo sentido en quecomprime y extiende a las partículas.

Las ondas de corte inducen la vibración transversal de las partículas, es decir, endirecciones que forman ángulos de noventa grados con la trayectoria de las ondas decompresión y se mueven a una velocidad aproximadamente igual a dos tercios de lavelocidad de las ondas de compresión.

Cuando las ondas tridimensionales inciden en la superficie del terreno se produce uncomplicado proceso que da lugar a las ondas de superficie o bidimensionales. La ondasuperficial más común es la onda de Rayleigh. Debído a la propagación bidimensional delas ondas de superficie su amortiguamiento es menor que el de las ondas tridimensionalesy son, por tanto, causa de las vibraciones más grandes a distancias de varios cientos demetros de las voladuras.

Predicción de niveles de vibración

El desplazamiento, velocidad y aceleración de las partículas se han podido relacionar conla carga de explosivo y con la distancia a la voladura mediante la ecuación:

nW R K V

2/1/

Donde:

V-velocidad máxima de partículas, en centímetros por segundo.



528

K-constante de transmisión del terreno, que puede determinarse empíricamente. Dependedel tipo y calidad de la roca que rodea a la carga explosiva y de la roca del sitio demedición. (La experiencia ha mostrado que las diferencias de niveles de vibración debidasa diferencias en los explosivos comerciales son generalmente menores comparadas conlas variaciones causadas por otros factores).

n-constante relacionada con las características geológicas globales entre el sitio de laexplosión y el sitio de medición.

R-distancia entre la explosión y los sitios receptores en metros.

W-carga máxima en kilogramos fuerza por periodo de retardo de ocho o másmilisegundos.

A la cantidad R/W 1/2 se le conoce como distancia escalada.

A partir de un gran número de mediciones de campo se han podido determinar los valoresde n=1.6 y K=115. Por tanto, para estimar la velocidad máxima de partícula de la ondasísmica producida por una voladura puede usarse la ec. y la gráfica de la fig 1.24. Porejemplo, el valor típico de la máxima velocidad de partícula producida por una voladuranormalmente confinada, con una carga por periodo de retardo de 180 kg a una distanciade 300 m (que corresponde a una distancia escalada de 300//180 = 22.4) es igual o mayorde 0.8 cm/s, según la gráfica de la fig 1.24 y la ec.



529

15

10

5

1

0.5

5 10 50

Distancia escalada, m/ kg

V e l o

c i d a d m á x i m a d e p a r t i c u l a , e n m / s

V

a l o r e s t í p i c o s c o n f u e r t e c o n f i n a m i e n t o

T ú n e l e s

L í m i t e " s u p e r i o r " c o n c o

n f i n a m i e n t o n o r m a l

B a n c o s

V a l o r e s t í p i c o s c o n c o n f i n a m i e n t o n o r m a l

B a n c o s

Fig. 1.24 gráfica para obtener la máximavelocidad de partícula que puede producir una voladura



530

El procedimiento anterior únicamente permite una estimación útil durante la etapa dediseño de las voladuras y cuando no se dispone de información sísmica del sitio. Pero, noes aplicable en explosiones muy grandes (como las explosiones nucleares y de coyoteras)en las que no es válida la raíz cuadrada de la carga para escalar la distancia ni los valoresde las constantes n y K que deberán ser determinados experimentalmente mediante una

serie de voladuras de prueba.En voladuras con cargas muy confinadas como las de la cuña en un túnel, las detrincheras y las de precorte, la máxima velocidad de partículas producida puede ser cincoveces más grande o mayor aun.

Las voladuras que constan de varios barrenos por periodo producen menor velocidad departícula que las de un barreno por periodo. Lo anterior se debe a la distribución espacialde las cargas y a la dispersión en la iniciación de las cargas.

ONDAS SÍSMICAS

ONDAS DE CUERPO1.- Compresional, longitudinal, Primaria-P, De empuje2.- Corte, Onda transversal, Onda secundaria -S ONDAS DE SUPERFICIE.3.- Love, Rayleigh, Igual de peligrosas que las P y S.

PROPAGACIÓN DE ENERGÍA

La energía se propaga disminuyendo con la distancia es directamente proporcional con ladetonación e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. El valor mássignificativo de la energía es la velocidad de la partícula. El Burean of Mines usa lasiguiente expresión:

2/1W

B HDV

PRINCIPALES MÉTODOS DE VOLADURAS CONTROLADAS

-Los consumidores de explosivos han buscado y ensayado muchas maneras para reducirel exceso de rompimiento o sobre excavación de las voladuras. Por razones de seguridady economía, el rompimiento excesivo es inconveniente cuando la excavación exceda lalínea de pago.

-En voladuras controladas se utilizan varios métodos para reducir el exceso derompimiento, sin embargo todas tienen un objetivo común, disminuir y distribuir mejor lascargas explosivas para reducir al mínimo los esfuerzos y la fractura de la roca mas allá dela línea misma de excavación.

Los procedimientos de voladuras controladas se agrupan en cuatro categorías:1. Barrenación en línea, de límite o de costura.2. Voladuras amortiguadas.3. Voladuras Perfiladas o de afine.4. Voladuras Prefracturadas.



531

BARRENACION EN LINEA, DE LÍMITE O DE COSTURAPrincipio

Esta voladura involucra una sola hilera de barrenos de diámetro pequeño, pocoespaciados, sin cargar y a lo largo de la línea misma de excavación. Esto proporciona un

plano de menor resistencia, que la voladura primaria pueda romper con mayor facilidad.Aplicaciones

Las perforaciones de la Barrenación en Línea generalmente son de 2" a 3" de diámetro yse separan de 2 a 4 veces de su diámetro a lo largo de la línea de excavación. Laprofundidad de los barrenos depende de su buena alineación. Cualquier desviación enellos, al tratar de barrenar más profundamente, tendrá un efecto desfavorable en losresultados. Los barrenos de la voladura directamente adyacentes a los de la Barrenaciónen línea, se cargan generalmente con menos explosivos y también a menorespaciamiento que los otros barrenos.

Los explosivos deberán quedar bien distribuidos en el barreno, utilizando para elloseparadores o Primacord.

Los mejores resultados con la Barrenación en Línea se obtienen en formacioneshomogéneas en donde los planos de estratificación, juntas y hendeduras son mínimos.

Trábalos a cielo abierto

Los mejores resultados se obtienen cuando la excavación primaria se mantiene retiradade una a tres filas de barrenos de la línea precisa de excavación. La ultima fila o filas debarrenación se separan entonces de la barrenación en línea utilizando estopines de deretardo o conectores MS de Primacord.

Los resultados de la barrenación en línea pueden mejorarse en algunas formaciones,cargando ligeramente y disparando los barrenos en línea antes de la voladura principal.



532

AREA EXCAVADA

0.75 YY

BARRENOS CONEL 50% DECARGA

LÍNEA PROYECTO DE

EXCAVACIÓN

X

VOLADURA EN LÍNEA

VOLADURAS AMORTIGUADASPRINCIPIO

A veces denominada como voladura para recortar, lacear o desbastar, se introdujo en el

Canadá hace varios años. Esta voladura implica una sola línea de barrenos a lo largo dela línea de proyecto de la excavación.

En esta voladura se hacen barrenos de 4" a 6 W de diámetro usualmente pero también sehan utilizado barrenos de 2" y 3.5" de diámetro. Las cargas para las voladurasamortiguadas deben de ser pequeñas, bien distribuidas, perfectamente retacadas y seharán explotar después de que la excavación principal ha sido despejada. Al ser volada laberma, el taco amortigua la vibración dirigida hacia la pared terminada, reduciendo haciaal mínimo la fractura y las tensiones en esta pared. Disparando los barrenos deamortiguamiento a pequeños intervalos, la detonación tiende a cortar la roca entre ellos



533

dejando una superficie uniforme y con un mínimo de sobre excavación. A mayor diámetrode barreno se obtienen un mayor amortiguamiento.

Aplicación

-trabajos a cielo abierto.-El banco o berma y el espaciamiento varían de acuerdo con el diámetro de los barrenosque se hagan. Para provocar un corte en el fondo del barreno, se utiliza una carga 2 o 3veces mayor que la utilización en la parte superior de barreno, para efectos de unamortiguamiento máximo, las cargas deben colocarse dentro del barreno tan próximocomo sea posible a la pared correspondiente al lado de la excavación.-El retardo mínimo entre la explosión de los barrenos amortiguadores proporciona la mejoracción de corte entre barreno y barreno.-La voladura amortiguada puede practicarse por métodos de blanqueo o perforadopreviamente los barrenos de amortiguamiento hasta la profundidad completa de laexcavación.-A la profundidad máxima que puede volarse con éxito en este método, depende de laprecisión del alineamiento de los barrenos. Se han hecho voladuras con éxito usandobarrenos de amortiguamiento hasta de 90 pies de profundidad.-Cuando se realizan voladuras por amortiguamiento en áreas curvas o esquinas, serequiere menos espaciamiento que cuando se vuela una sección recta, pueden tambiénusarse ventajosamente taladros-guía cuando se vuelan caras no lineales. En esquinas a90° una combinación de varios procedimientos para voladuras controladas, da mejoresresultados que una voladura amortiguada simple.-En formaciones sedimentarías sin consolidar, donde es difícil obtener una pared lisa, serecomienda intercalar taladros guía sin cargar entre los taladros de amortiguamiento.-Donde solo la parte superior de la formación esta intemperizada, los taladros-guía seperforan solamente hasta esa profundidad y no hasta la profundidad total de los barrenosde amortiguamiento.-Se han obtenido resultados satisfactorios en formaciones homogéneas retacando solo losúltimos 2 o 3 pies del barreno y no haciéndolo entre las cargas. A menos que la formaciónsea muy homogénea y dura la colocación al tresbolillo de las cargas en los barrenosmejora la distribución de los explosivos y proporciona mejores resultados (generalmenteno se practica en campo).-Trabajos subterráneos.-Puesto que la más efectiva voladura amortiguada resulta de la colocación de materialpara la atacadura entre y alrededor de las cargas, esta tiene muy poca aplicación entrabajos subterráneos, donde se utilizan barrenos horizontales de diámetro pequeño.-Ventajas.-Mayores espaciamientos entre barrenos para reducir los costos de perforación.-Mejores resultados en formaciones no consolidadas.-Posibilidad de aprovechar ventajosamente la información geológica obtenida al volar losmantos principales cuando se cargan los barrenos amortiguadores. Resultado, menosensayo en el trabajo.-Los resultados pueden ser observados desde el primer disparo, lo que permite el ajustede las cargas, si es necesario, antes de proceder.-El mejor alineamiento obtenido con barrenos de gran diámetro permite perforar barrenosmás profundos.



534

Limitaciones

-La necesidad de despojar el área excavada antes de iniciar las voladuras amortiguadas.-No son prácticos para cortar esquinas a 90°, sin utilizar a la vez la barrenación en línea oel prefacturado.

-A veces, el exceso de rompimiento originado por las voladuras principales eliminacompleta o parcialmente el banco por volarse por amortiguamiento. Requiéranse así,varios ajustes a las cargas de diferentes barrenos.

VENTAJAS:

-Mayores espaciamientos entre barrenos, reduce los costos de perforación.-Mejores resultados en formaciones no consolidadas.-Los resultados se observan desde el primer disparo. A Menos ensayos en el trabajo.

BARRENO S/ CARGA

BARRENO C/ CARGAVOLADURA ENESQUINA

RINCON

BARRENOS DE AMORTIGUAMIENTO

SECCIÓN PREFRACTURADAS

VOLADURA EN

LINEA PENDIENTE DEPRIMACORD

2-3 CARGAS POR EL PIE EN EL FONDO PARAASEGURAR EL CORTE EN LA BASE

BARRENOS DE AMORTIGUAMIENTO

BARRENOS DE LÍMITE

CARGA

PAREDTERMINADA

TACO

CUÑA

VOLADURA AMORTIGUADA



535

PREFRACTURADOPRINCIPIO

También llamado Precortado o Preranurado, comprende una fila de barrenos a lo largo dela línea de excavación.

Los barrenos son del mismo diámetro (2" - 4") y en la mayoría de los casos todoscargados.

Los barrenos se disparan antes que cualquier barreno de los de alguna sección de laexcavación principal inmediata.

Consiste en que cuando dos cargas se disparan simultáneamente en barrenosadyacentes se originan grietas entre los barrenos; el resultado es una pared lisa que casino produce sobre excavación.

El plano prefacturado refleja parte de las ondas de choque procedentes de las voladurasprincipales, con esto se reduce la fracturación, la sobre excavación y la vibración.

APLICACIÓN

Trabajos a Cielo Abierto:

-Los barrenos se disparan en forma simultánea, usando una línea troncal de Primacord.

-Si las líneas son demasiado largas se pueden retrasar algunos tramos con estopines MSo conectores Primacord MS.

-Los resultados mejorarán utilizando barrenos guía o de alivio (sin carga).

-Los espaciamientos y las cargas promedio se muestran en la Tabla.

CARGAS Y ESPACIAMIENTOS PROPUESTOS PARA EL PREFRACTURADO

DIAMETRO DEL BARRENOEN PULGADAS

CARGA EXPLOSIVA ENLBS/PIE (1)(2)

ESPACIAMIENTO ENPIES (1)

1.5 - 1 3/4 0.08 - 0.25 1 - 0.5

2 - 2.5 0.08 - 0.25 1.5 - 2

3 - 3.5 0.13 - 0.50 1.5 - 34 0.25 - 0.75 2 - 4

(1) Depende de la naturaleza de la roca.

(2) El diámetro del cartucho debe ser igual o menor que la mitad del diámetro del barreno

-Todos los barrenos cargados se taponean completamente para evitar fuga de gases, loque origina malos resultados.

-La profundidad depende del buen alineamiento de los barrenos, la máxima que puedeobtenerse es de 50 pies.



536

-Teóricamente la longitud de la voladura es infinita, se recomienda adelantar elprefracturado a la mitad de la voladura principal.

Trabajos Subterráneos:

-En los barrenos perimetrales reduce al mínimo la sobre excavación.-No se emplea con frecuencia en los frentes subterráneos debido a:-Posibles problemas por barrenos sin detonar. La línea de menor resistencia.-Los espaciamientos tan pequeños que se usan en la voladura principal,-Se aplica en las operaciones de control de socavación y derrumbes.

VENTAJAS

Aumenta el espaciamiento de los barrenos, lo que representa una reducción en los costosde la barrenación.No es necesario regresar a volar taludes o paredes después de la excavación principal.

LIMITACIONES

Es difícil determinar sus resultados antes de haber excavado totalmente hasta la paredterminada.

No es posible aprovechar el conocimiento de las condiciones de la roca que se obtienecon las voladuras principales.

Comparado con las Voladuras Amortiguadas y Perfiladas, los espaciamientos sonmenores, siendo así que los costos de la barrenación son mayores que con los sistemasmencionados.

AVANCE NORMALDE LA VOLADURAPRINCIPAL

PREFRACTURADO DE LA VOLADURA ANTERIOR

PREFRACTURADOADELANTADO

ZONA EXCAVADA

VOLADURA DE PREFRACTURADO



537

PRINCIPIO DEL PREFRACTURADO

NOTA: Si los barrenos están sobrecargados, la zona de fractura se extenderá hacia los lados y aun más allá de la zona de tensión.

VOLADURAS PERFILADAS DE AFINE

Es el método más aceptado para controlar el exceso de rompimiento en galerías deavance o excavaciones escalonadas en trabajos subterráneos. 61 principio básico es elmismo que el de la voladura amortiguada; Se hacen barrenos a lo largo de los límites dela voladura. Disparando con un mínimo de retardo entre los barrenos, obtiene un efecto

cortante que proporciona paredes lisas con un mínimo de sobre-excavación.

APLICACIÓN:

1. La voladura de Afine tiene aplicación en trabajos subterráneos como a cielo abierto.

2. Utilizando el método de voladura perfilada con cargas ligeras y bien distribuidas serequieren menos soportes y resulta una mejor sobre-excavación, utiliza barrenos de 11/1"a 1".

3. Para asegurar el máximo desahogo se utiliza a veces una galería de avances a túnel

piloto.

4. La voladura Perfilada se realiza cargando a cerril cartuchos de dinamita de bajadensidad para obtener, tanto como cargas pequeñas como una buena distribución.

5. Es necesario taponar estos barrenos con tarugos, arcilla o con cartucho dinamitatamaño normal bien atacado.



538

VENTAJAS

-Reduce el rompimiento excesivo que producen los métodos convencionales.-Utiliza menos barrenos perimetrales y no es efectiva para formaciones geológicas.

1212

2

3

3.05 m

11 1010

12

12

8

9

53

1

4

7

9

1010 11

5

3

1

4

7

6

12

12

8

3 . 3

5 m

12

12

X

12

7

8

12

12

712

12

VOLADURA DE AFINE

DISEÑO DE VOLADURAS

BANCOS A CIELO ABIERTO

Las canteras y los bancos a cielo abierto producen la mayor parte de la roca requeridapara la construcción e industria del país.

El término «tajo abierto» generalmente se refiere a una operación de minado de unmaterial específico, que es extraído de una forma donadora, de donde (con excepción deempaque de material ajeno al requerido) se aprovecha la totalidad del producto.



539

FACTORES A CONSIDERAR AL PLANERAR LA EXPLOTACIÓN DE UN BANCO

TIPO DE ROCA.- El comportamiento de las ondas provocada por la detonaciónprovocada por un barreno es diferente en cada tipo de roca. La propagación de la onda esmás rápida en una roca dura que en una roca blanda.

TIPO DE EXPLOSIVO.-Cada explosivo cuenta con características propias como son.Densidad, velocidad de detonación, resistencia al agua, energía disponible, etc.

FACTOR DE CARGA.-Se define como la cantidad de explosivo utilizado para fragmentarun metro cúbico de roca y se expresa en gr/m3.

GEOLOGÍA ESTRUCTURAL.-La geología del material a fracturar es el factor másimportante al determinarse el diseño total de una voladura. Las estructuras geológicastales como tas fisuras, oquedades, fallas y posición de los estratos juegan un papel muyimportante en los resultados de una voladura, por lo tanto se deben tomar lasprecauciones necesarias para optimizar los resultados.

BARRENACIÓN.- Dentro de este renglón los factores a considerar son el diámetro, laprofundidad, el paralelismo, las plantillas de barrenación y la sub-barrenación. Laselección del diámetro de barrenación está estrechamente ligada al tamaño de lafragmentación requerida, la altura del banco de material y las economías en conjunto,como la inversión inicial y los costos de operación, aunque es común el uso de diámetrosentre 6.35 y 8.89 cm para frentes de explotaciones no mayores a 12 m de altura y de10.16 a 30.48 cm de diámetro para explotaciones mayores y de volúmenes muy grandesde extracción.

ARREGLO DE PLANTILLA CUADRADA

La plantilla cuadrada tiene igual bordo y espaciamiento y los barrenos en cada fila estándirectamente alineados detrás de los barrenos de la línea de frente.

ARREGLO DE PLANTILLA RECTANGULAR

La plantilla cuadrada tiene bordo menor que el espaciamiento. Y como en la cuadrada,también los barrenos están alineados detrás de la línea de frente.

ARREGLO DE PLANTILLA EN TRESBOLILLO

La plantilla en tresbolillo puede tensr la misma distancia de bordo y espaciamiento, peroes más común encontrar mayor distancia en el espaciamiento que en el bordo. El intervaloconfiable de espaciamiento es de 1.3 a 1.5 veces el bordo. En este patrón se aprecia unacobertura más homogénea de la influencia del explosivo.

ARREGLO DE PLANTILLA RETICULAR

En este patrón de barrenación reticular se notan áreas entre los círculos de influencia delexplosivo que no se cubren y otras con sobrerompimiento.



540

DISTRIBUCIÓN DE LOS EXPLOSIVOS EN EL BARRENO

Este es generalmente el factor más importante para la adecuada fragmentación delmaterial, está controlado por el diámetro de los barrenos y por la plantilla de barrenaciónutilizad; sin embargo, la distribución individual del explosivo también es otro factor

importante a considerar.RETARDOS EN VOLADURAS

Aunque se cuente con dos vías de desalojo de material en una explotación de tajo(elfrente y la parte superior), la velocidad de la roca al volarse con explosivos es un factorimportante a considerar.

RELACIÓN DE LOS EXPLOSIVOS

La relación de los explosivos se determina de acuerdo a las condiciones del banco comoson:' geología estructural, humedad, dureza, etc.

PARÁMETROS DE VOLADURAS

Es importante para adelantarse en el manejo y calculo de una voladura conocer losparámetros que intervienen en ella.

EL TACO

El taco se define como la longitud que hay entre la terminación de la carga explosivadentro de un barreno y el borde de este, longitud que esta cubierta por material (depreferencia gravilla) con el propósito de evitar el escape de energía y la presión delexplosivo al momento de la detonación.

RETARDOS EN VOLADURAS

La utilización de retardos entre línea y línea de barrenos da la oportunidad de provocar eldesahogo necesario y la roca presenta dos ventajas; se reduce la roca en vuelo hastaniveles mínimos y se tiene el control de la roca al rezagar, ya que con una adecuadadistribución de los tiempos, se pude dirigir la voladura de tal manera que se apile hacia elcentro del frente de la voladura o en todo el ancho del mismo.

La práctica más común en la actualidad para el retardo de las voladuras de realiza conconectores MS (retardos de superficie) y/o primadet (retardos de fondo), mismos que seutilizan conjuntamente con cordón detonante.

FORMA DE CARGADO

Es muy importante mencionar ia forma de cargado de los barrenos para lograr el máximoresultado deseado.



541

TIPOS DE CUÑAS

La parte inicial y la más crítica en la abertura de un túnel o un pozo es la cuña, La funciónesencial de este corte es proporcionar una cara libre-adicional hacia donde la rocaquebrada pueda desplazarse. Todas las cuñas caen dentro de dos clasificaciones, cuñas

en ángulo o cuñas en paralelo.SELECCIÓN DE EXPLOSIVOS

En las operaciones de túneles o pozos (tiros), se requieren tiempos de ciclos cortos conun máximo de avance por cada disparo.

SECUENCIA Y TIEMPO DE DISPARO

Normalmente se utilizan tiempo de retardo de período largo(LP), el mayor tiempo entreperíodos de retardo proporcionan el tiempo adecuado para que la roca sea eyectada delárea de la cuña. Después los barrenos pueden ser iniciados con tiempos de retardoconsecutivos.

SECUENCIA DE INICIACIÓN

Diseño de patrones de retardoCon el sistema típico de encendido para frentes, cruceros y contrapozos se puede obtenerel máximo avance, eliminando el riesgo de robo de barrenos.

CONTROL DE SOBRE ROMPIMIENTO

En las rocas competentes pudiera no ser necesario el uso de técnicas especiales paraobtener paredes y perfiles satisfactorios. Sin embargo, el espaciamiento entre losbarrenos perimetrales y de alivio deberá ser reducido.

EXACTITUD DE LA PERFORACIÓN

La exactitud de la perforación es crucial para n efectivo control del perímetro. Unaperforación inexacta pude causar sobre rompimiento por:

-Barrenos perimetrales yendo más allá del túnel.

-Resultan irregularidades en el frente de las voladuras previas.

-La desviación de la perforación como resultado de un error en la colocación del ángulo dela perforadora o error como resultado de la perforación de los estratos. Técnicas deperforación o una excesiva longitud de los barrenos.

EXPLOSIVOS

Para llevar a cabo los efectos requeridos, es usualmente necesario cargar los barrenosperimetrales a lo largo de las paredes con un explosivo de relativa baja energía por metro.



542

TACO

Usualmente es necesario el taqueo de los barrenos perimetrales con material inerte. Estomejora la eficiencia y distribuye mejor la energía dentro del barreno.

INICIACIÓNEs usual utilizar un primer en el fondo de los barrenos de perímetro para permitir elrompimiento adecuado. Los barrenos perimetrales deben ser disparados en el mismotiempo de retardo para obtener resultados óptimos.

BARRENACIÓN EN ROCA



543

BARRENACIÓN EN PLATAFORMA

A) SILOS ELEVADOS DE NITRATO DE AMONIO PRILADO, DESCARGAN POR GRAVEDAD A LA UNIDAD DE MEZCLA ENSITIO (CAPACIDAD AEGÚN REQUERIMIENTO).

B) SILOS ELEVADOS DE ASA-G (EMULSIÓN A GRANEL) DESCARGAN POR GRAVEDAD.C) EQUIPO DE TRANSPORTE A GRANEL YA SEA PARA ASA-G O NITRATO DE AMONIO PRILADO.

D) SISTEMA NEUMÁTICO PARA LA CARGA DE SILOS DE AMONIO GRANULADO.E) BOMBA HIDRÁULICA PARA LA DESCARGA DE PIPA Y CARGA DE SILO.

EQUIPO UTILIZADO PARA EL SISTEMA A GRANEL.



544

PATRÓN DE BARRENACIÓN EN TRESBOTILLO

ARREGLO DE LA PLANTILLA RECTANGULAR

PATRÓN DE BARRENACIÓN RTICULAR

ARREGLO DE LA PLANTILLA EN TRESBOLILLO

ARREGLO DE LA PLANTILLA CUADRADA



545

SEGURIDAD EN USO Y MANEJO DE EXPLOSIVOS

TRANSPORTE

La transportación en México está regulada por la SEDENA Y LA SCT.

MEDIDAS DE SEGURIDAD

1) El transporte se hará en vehículos destinados especialmente para ello.2) Deberá de revisarse el vehículo (llantas, motor, etc)3) No fumar ni encender fuego cerca.

ALMACENAJE

Está regulado por la ley federal de armas de fuego y explosivos de la SEDENA y contiene:

-requerimientos para almacenamiento.-permisos para fabricantes y distribuidores.-permisos a usuarios.

PRECAUCIONES GENERALES EN RELACIÓN A:

A) PERSONAL

A.1) Capacitar en el uso de explosivos. A.2) Tener clara conciencia en lo que se debe y no se debe de hacer. A.3) Preparación física y mental para el uso de explosivos. A.4) Atender las normas de seguridad. A.5) El número de personas debe ser el mínimo requerido.

B) ANTES Y DESPUES DE LA VOLADURA

B.1) No golpear o friccionar los indicadores.B.2) No cargar explosivos antes de una hora después de terminar la detonación.B.3) Rociar con agua la rezaga.B.4) Detección de barrenos quedados.B.5) Ventilación adecuada en el lugar de trabajo.

C) EN VOLADURA

C.1) Cuidar las entradas a las áreas de voladuras.C.2) Dar tres señales: 2 preventivas y 1 de acción.C.3) Una vez realizado el disparo, esperar 30 minutos.



546

CAPÍTULO 18

VÍAS TERRESTRES

GENERALIDADES

Las vías terrestres en México

En lo que hoy es la república Mexicana, en la época precortesiana existían, como ya sedijo, numerosos caminos peatonales. Los españoles introdujeron las carretas, y fray Se-bastián de Aparicio (monje franciscano) construyó las primeras brechas o veredas, con loque comenzó una tradición caminera muy arraigada. Así hubo comunicación con el puertode Veracruz, Puebla, Acapulco y otras ciudades importantes del país.

A partir de la segunda mitad del siglo XIX se inició la construcción de vías férreas; laactividad ferroviaria tuvo su mayor auge durante el gobierno de Porfirio Díaz, y hoy está

en decadencia debido al desconocimiento gubernamental de la utilidad del ferrocarrilcomo medio de transporte cuando se administra en forma correcta. La extensión actual delas vías férreas es muy inferior a la que necesita el desarrollo del país, y el ferrocarrilincluso ha llegado a ser un factor de retroceso por los altos costos que reporta.

Al inicio de este siglo se introdujeron en el país los primeros automóviles, que utilizaronprincipalmente los caminos de carretas o reales; sin embargo, a partir de 1925 empezó laconstrucción de vías con técnicas avanzadas. Los primeros caminos de este tipo iban dela ciudad de México a Veracruz, a Laredo y a Guadalajara. Fueron proyectados yconstruidos por firmas de Estados Unidos, pero desde 1940 los ingenieros mexicanos sehan encargado de los trabajos y ahora se tiene una red de caminos pavimentados de

85000 Km. más 120000 Km. de caminos secundarios, con superficie de rodamientorevestida, para asegurar el tránsito de los vehículos en todo momento.

En este siglo también ha sido muy importante el uso del avión como medio de transporte,ya sea de pasaje o carga, por lo que en México se ha construido una cantidadimpresionante de aeropuertos, al igual que en el resto del mundo.



547

Vías Terrestres

TRANSPORTE.-La palabra transporte se deriva etimológicamente de dos raíces latinas:trans (a través) y portarse (llevar).

Hay muchos tipos de transporte, tal como aparece en la siguiente tabla ó cuadro:

Aquí nos ocuparemos solo del transporte en el sentido, restringido en que solo se refiere apersonas o mercancías. Ya tomado en este sentido, todavía podemos clasificarlo según laforma de llevarse acabo como sigue:



548

Estudiaremos aquí los transportes por tierra, excluyendo solamente los duelos o tuberías.

El transporte tiene una gran importancia desde el punto de vista económicoprincipalmente, porque aumenta la cantidad de bienes y servicios, los hace más baratos yaumenta su calidad.

Desde el punto de vista social y político, el transporte. Reviste también gran importanciaporque es un factor de difusión cultural y de unificación nacional. Citase como ejemplo elcaso de la Península Yucateca, en la que han desaparecido paulatinamente lastendencias separatistas con el incremento de las comunicaciones.

En el estudio de los ferrocarriles y caminos se distinguen varias fases.

1) Planeación.2) Reconocimiento.3) Trazo de preliminar.4) Localización (En el plano y En el papel).5) Construcción.6) Explotación.7) Abandono.

1.-Antes que cualquier otro estudio, deben hacerse las consideraciones conducentes adeterminar si conviene o no conviene construir el camino. En ello consiste la planeación.De tan gran importancia es esta fase que Wellington (Autor de "The Economic Theory ofthe Location of Railways") ha dicho que dista mucho de ser evidente la conveniencia o noconveniencia de construir un camino, más aun, que "La Ingeniería es el arte de noconstruir". Si bien, hay que anotar que el se refiere específicamente a ferrocarriles, porqueen ellos, muchas veces, tras un estudio concienzudo, se llega a la conclusión de que laconstrucción del ferrocarril en cuestión no es económica y que por lo mismo, no debehacerse.

La primera fase debe pues ser la planeación, y solo que el resultado de ésta sea favorabledeberá seguirse con las otras.

2.-Reconocimiento.- El reconocimiento es un estudio general de la región. Una faja a lolargo de las poblaciones que se van a comunicar. En él se fijan los puntos obligados.

3.-La preliminar es una poligonal abierta que toca los puntos obligados.

4.-La localización es el trazo que, uniendo tramos rectos por medio de curvas, se haceprimero en el plano y luego en el terreno.

A veces, pasada la planeación, al llegar a la localización se llega a la conclusión de quepor dificultades propias del terreno, no conviene construir el camino. En tal caso, sesuspende todo inmediatamente.

5.-La construcción es el acomodamiento y fabricación de las terracerías, revestimiento,puentes, obras de arte, etc.



549

6.-En la explotación se pone en servicio la línea y

7.-En los casos en que ya no puede rendir utilidad o deja de ser necesario, se abandonael camino, levantando la vía si es ferrocarril o abandonándolo por completo si es camino

carretero.TIPOS DE CAMINOS

Entendemos por camino la faja de terreno acondicionada para el tránsito de vehículos. Ladenominación camino incluye las calles de la ciudad.

En la práctica mexicana podemos distinguir varias clasificaciones del tipo de camino,algunas de las cuales coinciden con la práctica en otros países. Principalmente, tenemoslas siguientes:

CLASIFICACIÓN DE TRANSITABILIDAD

En general corresponde a etapas de construcción y se dividen en:

Camino Pavimentado-Tratamiento superficial o concreto.Camino Revestido-Transitable en todo tiempo.Camino de Tierra o en Terracerías -Transitable en tiempo de secas.Esta es la clasificación casi universal, usada en la cartografía y se representa así:

CLASIFICACIÓN ADMINISTRATIVA

Por lo general, es independiente de las características técnicas del camino. Hay unadivisión según la dependencia del gobierno que tiene a su cargo la construcción,conservación u operación, como sigue:

Camino Federal -Directamente a cargo de la Federación.

Camino Estatal -A cargo de las Juntas Locales de Caminos.

Camino vecinal -Construido con la cooperación de los particulares beneficiados. Para suconservación pasa a la clasificación anterior.

Caminos de Cuota-A cargo de Caminos y Puentes Federales de Ingresos y ServiciosConexos. La inversión es recuperable a través de cuotas de paso.

CLASIFICACIÓN TÉCNICA OFICIAL

Permite distinguir en forma precisa la categoría física del camino. Toma en cuenta losvolúmenes de tránsito sobre el camino y las especificaciones geométricas. Por lo generalesta clasificación asigna categorías por número o letra. La Secretaria de Obras Públicasclasifica los caminos como sigue:



550

TIPO ESPECIAL-Para un tránsito promedio diario superior a 3,000 vehículos y un tránsitohorario máximo mayor de 360 vehículos.

TIPO A-Para un tránsito promedio diario de 1,500 a 3,000 y tránsito horario de 180 a 360vehículos.

TIPO B-Para un tránsito promedio diario de 500 a 1,500 vehículos y tránsito horario de 60a 180 vehículos.

TIPO C -Para un tránsito promedio diario de 50 a 500 vehículos y un tránsito horario de 6 a60 vehículos.

TIPO BRECHA-Para un tránsito promedio diario hasta de 50 vehículos y un tránsitohorario hasta de 6 vehículos.

NOTA: En la anterior clasificación se considera un 50% de vehículos pesados, comomáximo.

CLASIFICACIÓN DE CAPACIDAD

Aunque la capacidad del camino está ampliamente cubierta en la clasificación técnica, lapráctica popular, que no se adentra en los detalles técnicos, los divide en:

AUTOPISTA (de cuatro o más carriles)CAMINO DE TRES CARRILESCAMINO DE DOS CARRILESBRECHA

SECCIONES TRANSVERSALES TÍPICAS DE LAS VÍAS TERRESTRES

En este libro se describirá la forma de estructurar las secciones transversales de las víasterrestres. La estructuración debe hacerse de manera que los esfuerzos que lleguen a losmateriales con que están construidas sean menores que los que pueden resistir, sin fallasni deformaciones apreciables.

Las secciones transversales típicas de una vía terrestre son tres: en terraplén (Fig. 1-3),en cajón (Fig. 1-4) y en balcón o mixta (Fig. 1-5).



551

S. L. T.

Cero deterraplen

Hombro

AC.Superficie de rodamiento

AC.

Hombro

PavimentoCapa subrasante

Cuerpo del terraplen

Cero deterraplen

Terracerias

S u p e r f i c i e

l a t e r a l d e l

t e r r a p l e n

( t a l u d 1 .5 : 1 ) Terreno natural

Fig. 1-3 Sección transversal típica en terraplén para carretera de dos carriles.

Carpeta

Base

Sub-base

Cero de corte

P a r e d d e c o r t e ( P . C . )

( t a l u d v a r i a b l e )

Contracuneta

Cero de corte

Cuneta

AC. AC.S de R.

Rasante

Subrasante

Camadelcamino

Capa subrasantePavimento

Terreno natural

Cuneta

P . C .

Fig. 1-4 Sección transversal típica en corte para carretera de dos carriles; se muestra un detalle de pavimento flexible.



552

S de R.

Acotamiento (AC.)

Pavimento

Capa subrasanteCuerpo de terraplen

S .L .T . Terreno natural

Escalones

Acotamiento (AC.)

Cuneta

Cero de corte

P . C .

Contracuneta

Fig. 1-5 Sección transversal típica mixta o en balcón para caminos de dos carriles.

Una terracería es el volumen de materiales que es necesario excavar y que sirve como

relleno para formar la obra.

Las terracerías tienen dos partes: la inferior o cuerpo del terraplén y la superior o capasubrasante, con un espesor mínimo de 30 cm y que se coloca independientemente de lasección tipo que se tenga. El material de esta capa debe cumplir con normas de re-sistencia mínima, expansión máxima y otras características acordes con las funciones quetendrá la estructura y que se describirán en su oportunidad. El uso de la capa subrasantees una aportación de la ingeniería mexicana de vías terrestres a la práctica mundial.

Cuando los caminos tienen un volumen de tránsito mayor que 5 000 vehículos diarios, los50 cm. superiores del cuerpo del terraplén forman la capa subyacente.

PAVIMENTOS

Se define como pavimento al conjunto de capas de materiales seleccionados que recibenen forma directa las cargas de tránsito y las transmiten a las capas inferiores, distribuyén-dolas con uniformidad. Este conjunto de capas proporciona también la superficie de ro-damiento, en donde se debe tener una operación rápida y cómoda.

De acuerdo con las teorías de esfuerzos y las medidas de campo que se realizan, losmateriales con que se construyen los pavimentos deben tener la calidad suficiente pararesistir. Por lo mismo, las capas localizadas a mayor profundidad pueden ser de menor

calidad, en relación con el nivel de esfuerzos que recibirán, aunque el pavimento tambiéntransmite los esfuerzos a las capas inferiores y los distribuye de manera conveniente, conel fin de que éstas los resistan.

Los materiales que forman las terracerías también deben cumplir normas, por lo generalno muy rigurosas, como se verá en el capítulo correspondiente. Esto permite que losterraplenes se construyan con economía, al utilizar los materiales extraídos de los cortesadyacentes. La calidad y los espesores de las capas del pavimento deben estaríntimamente relacionados con los materiales de las capas inferiores; es decir, tanto losesfuerzos debidos al tránsito como la calidad de las terracerías influyen en la es-



553

tructuración del pavimento. Así, con estos dos parámetros, el ingeniero debe estructurar elpavimento; para hacer esto, usará los materiales regionales y con 'ellos resolverá losdiferentes problemas que se le presenten, en la forma más económica posible.

Como se ha indicado, el pavimento proporciona la superficie de rodamiento para que los

vehículos transiten con "rapidez" y "comodidad". Estas dos últimas cualidades se colocanentre comillas porque son relativas y dependen principalmente del tipo de camino. Porejemplo, en una autopista de cuota los usuarios exigen velocidades altas, quizá mayoresque los 80 km/h, con un alineamiento vertical y horizontal que les brinde seguridad ycomodidad; sin embargo, en caminos de segundo orden se maneja en ocasiones avelocidades de 20 km/h debido a que tanto en el alineamiento horizontal como en elvertical se utilizaron especificaciones máximas. En ambos casos, estas condiciones sonlas adecuadas y los usuarios se adaptan a ellas.

TIPOS DE PAVIMENTOS

Pavimentos flexibles

Existen dos tipos principales de pavimento: los flexibles y los rígidos. En los primeros, unacarpeta asfáltica proporciona la superficie de rodamiento; las cargas de los vehículoshacía las capas inferiores se distribuyen por medio de las características de fricción y co-hesión de las partículas de los materiales; y la carpeta asfáltica se pliega a pequeñas de-formaciones de las capas inferiores sin que su estructura se rompa. Las capas que formarun pavimento flexible son: carpeta asfáltica, base y sub-base, las cuales se construyen so-bre la capa subrasante (Fig. 1-6).

Capa subrasante

Sub-base

Carpeta asfáltica

Base

Riego de sello

Fig. 1-6 Capas que forman en general un pavimento flexible.

Pavimentos rígidos

La superficie de rodamiento de un pavimento rígido es proporcionada por losas deconcreto hidráulico, las cuales distribuyen las cargas de los vehículos hacia las capasinferiores por medio de toda la superficie de la losa y de las adyacentes, que trabajan enconjunto con la que recibe directamente las cargas. Este tipo de pavimento no puedeplegarse a las deformaciones de las capas inferiores sin que se presente la falla



554

estructural. Aunque en teoría las losas de concreto hidráulico pueden colocarse en formadirecta sobre la sub-rasante, es necesario construir una capa de sub-base para evitar quelos finos sean bombeados hacia la superficie de rodamiento al pasar los vehículos, lo cualpuede provocar fallas de esquina o de orilla en la losa. La sección transversal de unpavimento rígido está constituida por la losa de concreto hidráulico y la sub-base (Fig. 1-

7), que se construyen sobre la capa subrasante.

Losa de concreto hidráulico

Sub-base

Capa subrasante

Fig. 1-7 Capas que forman un pavimento rígido.

Concreto asfáltico

En las últimas décadas se ha utilizado en forma considerable el concreto asfáltico, el cual,a pesar de tener una falla frágil y parecida a la del concreto hidráulico, resiste bastantemenos que éste, por lo que se incluye en los pavimentos flexibles. Sin embargo, para evi-tar que la carpeta se agriete debido a pequeñas deformaciones de base, ésta debe cons-

truirse rígida con cemento Portland o cal a fin de que los módulos de elasticidad de ambascapas se parezcan lo más posible.

Capa subrasante

Sub-base

Carpeta asfáltica

Base rigidizada

Riego de sello

Fig. 1-8 Capas que forman un pavimento flexible con carpeta de concreto asfáltico.



555

CIMENTACIÓN

INTRODUCCIÓN

Las terracerías que requiere una obra vial transmiten esfuerzos al terreno natural bajo

ellas; esos esfuerzos, a su vez, producen deformaciones que se reflejan en elcomportamiento estructural de las mencionadas terracerías; de ahí la necesidad de estu-diar el terreno de apoyo o cimentación, objeto de este capítulo. Además, existen factoresindependientes de la superestructura de la obra vial, aunque a veces influidos por ella,como el agua por ejemplo, que producen efectos en el terreno de cimentación quetambién se reflejan en el comportamiento de la misma obra, por lo cual han de serasimismo estudiados. Finalmente, la interacción del terreno de cimentación y lasuperestructura de la obra vial afecta de tal manera al comportamiento conjunto, que esde extrema importancia el estudio de los métodos a disposición del ingeniero paramodificar las condiciones del terreno de cimentación cuando sean desfavorables,convirtiéndolas en más propicias; tales métodos también requieren atención.

Se entiende por terreno de cimentación la parte de la corteza terrestre en que se apoya laestructura de la obra vial y que es afectada por la misma; su función es soportar a dichaobra vial en condiciones razonables de resistencia y deformación.

GENERALIDADES ACERCA DEL TERRENO DE CIMENTACIÓN

Los terrenos de cimentación pueden estar constituidos por roca o por suelos. En general,la roca no plantea problemas como terreno de cimentación propiamente dicho, pues laobra vial le comunica esfuerzos que suelen ser de muy baja intensidad en comparacióncon la resistencia del material. La alterabilidad de la formación rocosa, por la acción deagentes mecánicos o químicos, tampoco desempeña un papel que deba ser fuente deinquietudes especiales desde el punto de vista de apoyo.

Las rocas ígneas, por su dureza, pueden presentar problemas de costo de excavaciónmuy elevado; por lo general permiten taludes verticales o muy próximos a la vertical,cuando están razonablemente sanas, y como apoyo de un pavimento requieren de lalocación de una capa de suelo intermedio en los cortes, para eliminar las irregularidadesque quedan tras el proceso de conformación.

En las rocas sedimentarias es frecuente una dureza mucho menor que en las ígneas, loque se traduce en una mayor facilidad de excavación; en este upo abundan las rocasdeleznables, especialmente las de estructura aglomerada. En este grupo merecenmención especial las calizas, muy comunes en México, entre las que se encuentran todoslos tipos de comportamiento, pues mientras las de grano fino son duras y permanentes,las de grano grueso son blandas y deleznables. Las lutitas y las margas suelen serrelativamente fáciles de excavar; con frecuencia son poco estables ante el agua; al igualque los yesos y rocas similares, pueden ser expansivas al absorber agua y esto las hacepeligrosas en los lechos de los cortes y como materiales de relleno en muros de retención.Finalmente, conviene hacer notar que las aguas que han fluido a través de rocasmargosas, yeso o anhidritas pueden ser muy peligrosas, pues en su recorrido se cargande sales cálcicas que pueden descomponer el cemento de los concretos utilizados en las



556

diferentes estructuras de la obra vial. En las rocas sedimentarias relativamente sanas estambién frecuente poder construir taludes seguros muy próximos a la vertical.

Los esquistos y las pizarras son quizá las rocas metamórficas más frecuentes en latecnología de las vías terrestres; son fáciles de excavar, hasta el grado de que muchas

veces no requieren explosivos y bastan los medios mecánicos para su extracción. Al tenerplanos de foliación muy marcados en la mayor parte de los casos, estas rocas rompen alo largo de los, por lo que su echado es muy importante cuando aparecen en cortes yladeras. Son rocas bastante deleznables y como producto de alteración final producen,arcillas muy inestables, a veces en tiempos dentro de la vida útil de la obra.

Los terrenos de cimentación constituidos por suelos también suelen proporcionar apoyosuficiente para las vías terrestres, aunque existen algunas condiciones que planteangrandes problemas de provecto y construcción. Algunas de éstas se detallan por separadoen páginas subsecuentes de este capítulo y constituyen quizá las contingencias másgrandes a que ha de enfrentarse el ingeniero de obras viales, a tal grado que éste deberáconsiderar siempre como la mejor solución a estos problemas el cambio de trazo que loaleje de ellos. Sin embargo, ha de insistirse en que son excepcionales los casos en que elterreno de cimentación constituido por suelos plantea problemas realmente difíciles ycostosos de resolver, pero por la gravedad que pueden implicar han de ser detectados enla etapa de estudios previos al proyecto, para que se les evite cuando sea posible o paraque se les tome en cuenta con todo cuidado y sean objeto de estudios muy especiales y aveces muy extensos, cuando el trazo obligue al ingeniero a avocarse a ellos, porconsideraciones de superior conveniencia.

Los suelos friccionantes (gravas, arenas y limos no plásticos o las mezclas en que ellospredominan) por lo general tienen capacidad de carga suficiente y características decompresibilidad que no provocan problemas de asentamientos de importancia.

Las arenas o limos muy sueltos pueden plantear problemas de erosión y de asentamientobrusco, por colapso rápido de su estructura simple, cuando está sometida a cargas dealguna importancia; estos colapsos suelen estar asociados a movimientos en el agua delsubsuelo, sea saturación por flujo de agua que se infiltre de la superficie o ascensos delnivel freático por cualquier razón. Sin embargo, este efecto no es muy importante bajo lasterracerías, pues éstas absorben con facilidad los movimientos resultantes; naturalmenteque el efecto anterior es mucho más peligroso cuando el terreno de cimentación soportaalguna de las estructuras rígidas que suelen construirse en una vía terrestre.

ASENTAMIENTOS EN EL TERRENO DE CIMENTACIÓN

Posiblemente el problema más grave que entraña un suelo de cimentación fino ycompresible, es el que se refiere a los asentamientos que en él pueden producirse alrecibir la sobrecarga que representan los terraplenes. Dichos asentamientos causan:

1. Pérdida de bombeo, pues la presión ejercida por el terraplén es mayor bajo el centro dela corona que bajo los hombros.



557

2. Aparición de asentamientos diferenciales en el sentido longitudinal, porheterogeneidades en la cedencia del terreno de cimentación; éstos producen prejuicios enla funcionalidad del camino, en el pavimento, en el drenaje superficial, etc.

3. Disminución de la altura del terraplén, grave cuando se atraviesan zonas inundables o

inundadas.4. Perjuicios en el comportamiento de obras de drenaje menor, que adquieren unaconformación hidráulicamente inconveniente y se agrietan, al hundirse más en el centroque en los extremos.

5. Agrietamientos en la corona del terraplén, especialmente cuando ésta es muy ancha ycuando el terraplén tiene bermas.

6. Pérdida de la apropiada transición entre los terraplenes de acceso y las estructuras,cuando éstas, cimentadas por ejemplo en pilotes de punta, no participan del asentamientogeneral.

Independientemente de algunos casos especiales cuyo estudio se hace en páginassubsecuentes de este capítulo, en México no es raro encontrar regiones en que losasentamientos en el terreno de cimentación desempeñan un papel tan importante quetodo el diseño de la obra vial, incluyendo la posibilidad de un cambio de trazo, debequedar condicionado a ellos. Se llega así a proyectos que no son óptimos si se toman encuenta únicamente los aspectos que tradicionalmente se contemplan para diseñar una víaterrestre.

MEJORAMIENTO DEL TERRENO DE CIMENTACIÓN

No se repetirá bastante que el terreno de cimentación suele ser suficientemente bueno,tanto en lo que se refiere a resistencia como a compresibilidad, para soportar a las víasterrestres en condiciones normales, pues las presiones a él comunicadas sonrelativamente bajas y la estructura del terraplén se suele adaptar muy bien a pequeñosmovimientos que puedan producirse. Los problemas señalados y los métodos demejoramiento que ahora se mencionarán se presentan normalmente en áreas restringidasy no pueden verse como de utilización común, por su alto costo.

Los principales métodos que se han seguido para mejorar las condiciones del terrenonatural, ya sea en lo referente a resistencia o a compresibilidad, son los siguientes:

1. El uso de materiales ligeros.2. La sobreelevación de la rasante.3. Construcción previa de terraplenes.4. El uso de drenes verticales de arena.5. La compensación total o parcial de la carga.6. La remoción del material compresible.7. Tratamiento físico-químico del terreno compresible.8. Calcinación del suelo.



558

9. Colocación de entramados de ramas, palmas y otros materiales similares bajo elterraplén.10. La colocación de bermas o el uso de taludes muy tendidos.11. Escalonamiento de laderas naturales.12. Construcción de rellenos sobre apoyo irregular en roca.

13. Compactación.14. Anclaje de bloques de roca fracturada.

ESTABILIZACIÓN DE MATERIALES

Se llama estabilización de materiales a la mezcla de dos o más de éstos para queadquieran las características deseadas. Se distinguen dos tipos de estabilizaciones: lasmecánicas y las químicas; en éstas se presentan reacciones de esta índole, mientras enlas primeras no.

Estabilización mecánica

Las estabilizaciones de tipo mecánico se presentan en tres casos:

A) Para mejorar la granulometría.B) Para reducir la plasticidad.C) Para aumentar el valor cementante.Estabilización para mejorar la granulometría

Cuando un material tiene una granulometría discontinua porque escasean algunos ta-maños en sus partículas y ello hace inadecuado su uso, se puede agregar otro elementoque disminuya ese defecto. Sin embargo, es necesario conocer las proporciones en quese deben mezclar ambos materiales, con base en un nomograma como el mostrado en lafigura 6-6.

En el eje horizontal superior dividido de O a 100, se marcan los porcentajes del primermaterial que pasarán por cada una de las mallas y se hace lo mismo con el eje horizontalinferior, donde se coloca la granulometría del otro material.

Se unen con una línea recta los retenidos de los materiales correspondientes a cadamalla; si algún elemento tiene partículas de menor tamaño que el otro, los retenidos de lasmallas correspondientes se unen con el origen de la granulometría del otro material. Porotro lado, si uno de los materiales tiene partículas de mayor tamaño que el otro, losretenidos de esas mallas se unen con el punto correspondiente al 100% que pasa del otroelemento.



559

MATERIAL

%A %B

90 10

80 20

70 30

60 40

50 50

40 60

30 70

20 80

10 90

%A %B

MATERIAL

10 20 30 908070605040

% QUE PASA DEL MATERIAL "B"

% QUE PASA DEL MATERIAL "B"302010 40 9080706050

2 0 0

1 0 0

8 0 4 0

2 0 1 0

4 3 / 8 "

3 / 4 "

1 " 1 1

/ 2 "

2 "

Fig. 6-6 Nomograma para obtener una granulometría determinada al mezclar dos materiales diferentes

La distancia vertical entre los dos ejes en los que se marcan las granulometrías de osmateriales también se divide en cien partes: del lado izquierdo, a la altura del eje superior,se coloca el 100 que corresponde al 100% del primer material y de ese mismo lado, peroen el eje inferior, se marca 0 porque a esa altura se tendrá 0% del material. Así, el ejevertical de la izquierda indica el porcentaje del primer material que interviene en la mezcla.El eje vertical de la derecha se marca con 0 en la parte superior y con 100 en la inferior.

Para conocer la granulometría de una mezcla de dos materiales, se pasa una horizontalque une los porcentajes en que interviene cada material (la suma de ellos es 100). Lagranulometría de la mezcla se obtiene de los puntos en que esta última línea cruza lasHallas con los porcentajes correspondientes en el eje horizontal. De la figura 6-6 se puede

Atener, por ejemplo, la granulometría de una mezcla en la que interviene 60% del material A y 40% del material B.



560

Malla Porcenta e ue asa

Material A Material B Mezcla

2 pulgadas 100 100

1.5 pulgadas 86 94

1 pulgada 70 873/4 pulgada 58 83

3/8 pulgada 41 76

Número 4 100 28 71Número 10 92 16 61

Número 20 82 10 53

Número 40 70 8 44Número 60 62 5 38

Número 100 48 3 30

Número 200 30 2 19

Si en el interior del nomograma se marcan los límites granulométricos que debe satisfacer

la mezcla, se pueden encontrar con mucha facilidad los porcentajes de cada uno de losmateriales que se pueden utilizar.

En el caso de la figura 6-6, con líneas punteadas se tienen marcados los límites de lazona 1 de las especificaciones utilizadas en el país para materiales de base y, como seve, los porcentajes de los materiales A y B que cumplen los requisitos varían de 19%-81%a 11%-89%. En la figura 6-7 se marca con línea segmentada la granulometríacorrespondiente a la mezcla 60%-40% obtenida con anterioridad, y con línea continua lacorrespondiente a una mezcla 15%-85% que satisface las especificaciones para la zona1.

200 100 60 40 20 10 4 3/8" 3/4" 1" 11/2" 2"

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

P O R C E N

T A J E Q U E P A S A

MALLA

M A T

. A

A

A

M E Z C L

A

M E Z

C L A

6 5 - 1 5

M A T.

B

B

B

0 . 0 7 4

0 . 1 4 9

0 . 2 5 0

0 . 4 2 0

0 . 8 4 0

2 . 0 0 0

4 . 7 6 0

9 . 5 2 0

1 9

. 0 5

2 5

. 4 0

3 8

. 1 0

5 0

. 8 0

Fig. 6-7 Granulometría mecánica para disminuir plasticidad.



561

Estabilización mecánica para disminuir la plasticidad

En la naturaleza a menudo se encuentran materiales con una plasticidad ligeramentemayor a la que marcan las normas. Entonces, si es necesario utilizarlos en alguna capade pavimento, se reduce esta característica para que sean aceptables. Es una práctica

común mezclarlos con arenas, cuya efectividad es mayor cuanto más finas sean, aunquees posible utilizar también materiales con menor plasticidad.

En forma empírica, se ha encontrado la fórmula para calcular el índice plástico de lamezcla de materiales a partir de las características de éstos:

...)3(3)2(2)1(1

...3)3(32)2(11)1(1

f k f k f k

I f k I f k I f k I p

K1, K2, K3= Porcentaje en que los suelos S1, S2, S3,... intervienen en la mezcla.f1, f2, f3= Porcentaje de finos que pasan por la malla núm. 40 en cada suelo.I1, I2, I3= Índice plástico de cada suelo.

Al estabilizar los materiales para reducir su plasticidad, es posible reducir también el costode construcción, pues se evitan probables acarreos largos de elementos que cumplan pornaturaleza las normas respectivas.

Estabilización mecánica para aumentar el valor cementante

Como ya se dijo, cuando existen carpetas como las que se acostumbra utilizar en nuestro

país: de 2 a 8 cm., colocadas sobre bases construidas con materiales de grava-arena,inertes y sometidas a la acción del tránsito, se producen deformaciones rítmicastransversales denominadas "permanentes" en el lenguaje caminero.

Para evitar lo anterior, en caminos con tránsito de hasta 2 000 vehículos diarios se agregaa los materiales inertes: limo, caliche, sílices o arenas arcillosas de baja plasticidad o sea,con Ip, que no llegan a 18% y corresponden a contracciones lineales menores que 6.5%.Estos materiales de base deben cumplir las normas respectivas en cuanto a valorcementante, valor relativo de soporte y plasticidad.

Estabilización química con cal y cemento Portland

Un suelo se estabiliza químicamente cuando interviene el agua en la mezcla de los mate-riales y se presentan reacciones químicas. Hay diferentes materiales para realizar estetratamiento, los cuales son por lo general de tipo industrial como el cemento Portland y lacal hidratada, que son los principales.

Como ya se indicó en relación con las estabilizaciones mecánicas, para encontrar elporcentaje de los materiales que intervienen en la mezcla es necesario estudiar diversasproporciones en el laboratorio y, con base en la prueba correspondiente a la característicaque se quiere obtener, tomar una decisión.



562

Con el uso de la cal o el cemento Portland es posible bajar la plasticidad y aumentar laresistencia. Usualmente los porcentajes de cal empleados varían del 2 al 77%. Elporcentaje es diferente en el tratamiento con cemento Portland, pues responde a lacaracterística principal que se desee obtener en la mezcla. Si el objetivo es reducir la

plasticidad, las proporciones varían del 2 al 7%; en cambio, si se desea aumentar demanera considerable la resistencia, la proporción es del 5 al 15%.

En el primer caso las mezclas son de mejoramiento del suelo (suelo mejorado); en elsegundo, se obtiene el llamado suelo-cemento. En uno y otros casos, los procedimientosde prueba en el laboratorio son diferentes, así como los de construcción en el campo.

Una vez que se humedece la mezcla para el suelo mejorado no se permite que elcemento Portland aglutine el suelo al fraguar, por lo que el material se remueve cuandomenos tres veces al día durante tres días. En cambio, una vez que se incorpora el aguanecesaria a la mezcla para el suelo-cemento, de inmediato se elabora el espécimen en ellaboratorio, o en la obra se forma y compacta la capa correspondiente a fin de favorecer elaglutinamiento del material. En este caso, los requisitos de resistencia varían de 20Kg/cm2 a 50 Kg/cm2 a los siete días, de acuerdo con las especificaciones que se utilicen.

Ya sea que el suelo se estabilice con cal o cemento, es conveniente hacer la mezcla enuna planta dotada de un secador y un molino, además de la mezcladora, cuando se tratede materiales plásticos. Si la mezcla se efectúa manualmente, la eficiencia disminuye enforma notable y la proporción de material estabilizante puede aumentar hasta en un 50%con respecto a la mezcla del laboratorio, debido sobre todo a la heterogeneidad que seobtiene con este sistema.

Como las resistencias que se piden en las normas para materiales estabilizados son asiete días, los especimenes elaborados con cal pueden dejarse a la intemperie con todo ymolde durante dos o tres días, para luego sumergirlos en agua durante otros cuatro o cin-co días más y conocer tanto la resistencia VRS, como su expansión correspondiente.

Esto permite que la cal reaccione antes de la saturación, pues como no es hidráulica, elagua no favorece la resistencia sino que la disminuye; lo contrario sucede cuando seutiliza cemento Portland, en cuyo caso el espécimen debe saturarse de inmediato porqueeste producto sí es hidráulico. Lo mismo puede decirse para los procedimientos deconstrucción.

Estabilización con asfalto

Algunos autores encasillan la estabilización de materiales con asfalto dentro de las estabi-lizaciones químicas. Sin embargo, cuando se usan materiales inertes como arena o lagrava-arena (bases negras o carpetas asfálticas), en definitiva la estabilización esmecánica. Es probable que se presente alguna reacción química cuando se trate deestabilizar arcillas con asfalto, pero por las grandes dificultades en el mezclado y lospobres resultados que se obtienen, este tipo de estabilización con materiales plásticos seusa muy poco. Más adelante, al tratar el tema de las carpetas y bases asfálticas, dichaestabilización se estudiará con detalle.



563

EXCAVACIÓN

FRENTE DE EXCAVACIÓN

Como la pala debe cavar contra una superficie vertical conocida con el nombre de

FRENTE DE EXCAVACIÓN, éste debe ser proporcionado por la misma pala.Entonces surgen dos condiciones posibles.

a) Que el material por excavar esté ubicado en un banco o talud que se yergue sobre lasuperficie por donde la pala pueda aproximarse al lugar de la obra de modo que el áreade excavación quede más o menos lista y acondicionada para la actuación de la pala.

b) Que la pala deba aproximarse al frente de excavación desde una altura superior, comocuando se comienza destapando roca o cavando hacia abajo para formar un pozo y unfrente de excavación.

Las dos figuras que siguen muestran las dos condiciones expuestas.

ACCESO AL SITIO DE LA OBRA

Cuando se abre un nuevo frente de trabajo, uno de los primeros elementos a considerares el acceso al sitio de operaciones, y el plan para mover y desechar los materialesexcavados. Esto es particularmente importante cuando dichos materiales deben sertransportados, puesto .que el tipo de camino hasta y desde el frente de excavación, amenudo puede imponer la elección de un proyecto determinado de maniobra. Esprimordial conocer el camino que han de tomar los vehículos de transporte hasta y desdeel sitio donde está la pala así como cerciorarse del tiempo que se necesita por ciclorecorrido, para determinar el número, tipo y tamaño de los vehículos de transporte queson requeridos por la obra de que se trate, tal como se verá más adelante. Es importanteplanear la colocación de la pala de tal modo que los vehículos de transporte puedanaproximarse con la mayor facilidad al sitio de trabajo y alejarse del mismo cuando seencuentren cargados cualesquiera que sean las condiciones meteorológicas.



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COLOCACIÓN CORRECTA DE LA PALA EN EL BANCO

Aunque la pala puede ser colocada de muchas maneras para atacar el material de unbanco, ellos no son más que una modificación de las dos posiciones básicas: el ataquefrontal y el de posición en paralelo.

El ataque frontal tiene lugar cuando se efectúa más o menos en ángulo recto con el frentede excavación, según se muestra en la figura que sigue.

Generalmente la pala se coloca de tal manera que la montura, ya sea de orugas o deruedas, forme ángulo recto con la superficie a cortar, ya que de esa manera la pala puedeconservarse mucho mejor en la posición óptima de excavación, además, como la longitudde la montura es mayor que su anchura, la pala tendrá su máxima estabilidad y por lotanto podrá ejercer la totalidad de su potencia excavadora.

Como se ha podido observar, en el método de ataque frontal la pala actúa directamenteen el frente de excavación y se mueve hacia adelante hasta que haya excavado unsemicírculo cuyo radio, al nivel del suelo, se aproxima cuanto es posible al radio máximode corte al mismo nivel permitido por la pala. Este procedimiento continúa hasta configurarun piso nivelado en el fondo sin que haya necesidad de volver a ejecutar trabajo de

limpieza y emparejamiento para eliminar las desigualdades del terreno. Manteniendolimpio el suelo de la cantera, las llantas de los camiones se desgastan mucho menos y losaccesorios de los mismos duran mucho más en buen estado.

Ahora bien, cuando la pala haya alcanzado el punto en el cual se necesita una oscilacióno giro de 90° para cargar los camiones, se moverá una distancia igual al doble de su radiode corte al nivel del suelo hacia una nueva posición contra el frente de trabajo,repitiéndose la operación completa hasta alcanzar otra vez un giro de 90° que marcará elpunto para que la pala se mueva de nuevo a lo largo de una distancia semejante, y repitala operación. La repetición se verifica por orden sucesivo de manera que se cubra la



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totalidad de la superficie sobre la que se trabaja. Luego la pala realiza su viaje de retornoquedando colocada ahora sobre los sitios anteriormente ocupados por los camiones detransporte. La pala que se representa en la figura que sigue debe iniciar su trabajo en laposición E y avanzar luego hacia F para repetir la misma operación actuando desde lasposiciones señaladas a lo largo de las líneas G, H, etc. hasta abarcar la porción deseada

del frente de trabajo. Luego la pala iniciará su viaje de retorno atravesando el frente deexcavación y trabajando desde las posiciones indicadas a lo largo de las líneas L, K y Jetc. hasta los puntos apropiados.

Esta última posición de la máquina permite excavar las superficies mostradas, en la partesuperior de la figura, en líneas de puntos. En su segundo recorrido, la pala trabajará a lolargo de las posiciones L, K y J, quedando colocados los camiones en las líneas H, G y F.

Este método de ataque frontal tiene la ventaja de que el giro nunca excederá de 90°, y enla mayoría de los casos es menor. Además los vehículos pueden colocarse a cada lado dela pala para ser cargados, lo que elimina pérdidas de tiempo. Otra ventaja es que elterreno va quedando prácticamente nivelado. El método de posición en paralelo, la palase coloca de manera que se mantenga paralela al frente de trabajo y actúa a lo largo de lasuperficie excavada. Los vehículos también se moverán más o menos paralelos a lasuperficie atacada como se puede ver en la figura que sigue:

El método de ataque en paralelo es más aconsejable para aquellos casos en los cuales seefectúan cortes en los caminos para que cuando se llevan a cabo operaciones en bancosde materiales.

La tabla siguiente proporciona los rendimientos ideales de las palas para diferentes clasesde materiales, basándose en excavaciones a una profundidad igual a la óptima, con unángulo de oscilación de 90° y sin demoras de alguna clase. En la tabla el primer númeroindica la profundidad óptima de corte en metros, y los otros dos corresponden a losrendimientos, primero en metros cúbicos, y luego en yardas cúbicas.



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Los rendimientos ideales de la tabla deben modificarse teniendo en cuenta los factoresque los alteran tales como la profundidad real de corte, él ángulo real de oscilación, lascondiciones de la obra (excelentes, buenas, medianas o malas), y las condicionesadministrativas (excelentes, buenas, medianas o malas). El rendimiento de las palas debe

expresarse en metros cúbicos o en yardas cúbicas por hora basándose en el volumenmedido en el banco, por lo que el volumen de material suelto debe dividirse entre el factorde abundamiento.

BANCOS DE MATERIAL

INTRODUCCIÓN

Uno de los costos más importantes en la construcción y mantenimiento de vías terrestrescorresponde a los materiales, roca, grava, arena y otros suelos, por lo que su localizacióny selección se convierte en uno de los problemas básicos del ingeniero civil, en conexiónestrecharon el geólogo. La experiencia diaria enseña que, si se da a estas tareas ladebida importancia, podrán localizarse depósitos de materiales apropiados cerca del lugarde su utilización, abatiendo los costos de transportación, que suelen ser de los que másafectan los totales; otras veces se logrará obtener materiales utilizables en zonas queantes dependían de otras más alejadas en este aspecto. Por estas razones, no es deextrañar que la búsqueda científica y la explotación racional de los materiales ocupe másy más la atención de los grupos técnicos interesados.

De esta manera va habiendo en todas las instituciones dedicadas al proyecto y laconstrucción de vías terrestres en cada país, una información cada día más completasobre las disponibilidades de materiales en cada zona cruzada por una vía terrestre.Desdichadamente, también es frecuente que esta información se pierda una vez realizadauna obra, de manera que' los ingenieros que hayan de construir otra vuelvan aenfrentarse al problema original de buscar materiales apropiados donde otros ya loshabían encontrado. Parece una labor realmente urgente e importante centralizar dealguna manera toda la información que día a día va surgiendo sobre materiales utilizables,localización, volúmenes aprovechables, utilización, tratamientos, etcétera; una vez bienrealizada esta tarea a nivel nacional, todas las instituciones constructoras del país podránobtener considerables ahorros en la búsqueda de materiales y, a la vez, disponer parauna utilización determinada, de toda la experiencia de quienes antes hayan usado elmismo banco, para los mismos o similares fines. Una tarea como la que se recomiendanunca estará terminada, pero ya desde niveles muy iniciales de su ejecución podrá rendirprovechosos frutos.

Durante muchos años la detección de bancos de materiales dependió de métodosexploratorios comunes, desde la simple observación sobre el terreno, hasta el empleo depozos a cielo abierto, posteadoras, barrenos y aun máquinas perforadoras. En épocasmás recientes, los estudios geofísicos, de gran potencialidad en estas cuestiones, hanvenido a sumarse a la técnica disponible, ahorrando mucho tiempo y esfuerzos humanosy mucha exploración.



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El énfasis de este Capítulo se pondrá especialmente en los bancos de materiales, en lainteligencia de que mucho de lo que de ellos se diga será aplicable a los préstamoslaterales y aun a los materiales que se obtengan por compensación longitudinal otransversal. Será necesario establecer ciertas distinciones entre los bancos de roca y losde suelo. La transición entre los dos materiales genéricos es, en este caso, todavía más

difícil de establecer con precisión que en otros; la roca puede presentarse con muydiversos grados de alteración o el material que se encuentre puede ser mixto, en elsentido de contener tanto formaciones rocosas como auténticos suelos.

Un punto fundamental en la determinación de bancos de materiales es la valuación de laslocas o suelos contenidos, la que suele ser muy difícil de establecer en forma cuantitativa.En lo que se refiere a las rocas, dos puntos principales deben merecer atención. Elprimero se refiere a los cambios tísicos que la roca puede sufrir por fragmentación durantela extracción, por manejo o durante la colocación; el segundo a la aceleración físico-química que pueda tener lugar durante la vida útil de la obra.

Estos mismos factores han de ser considerados cuando se trate de suelos, peco revistenmayor importancia en las rocas, pues los suelos seguramente han sufrido ya sustransformaciones físico-químicas importantes durante su proceso anterior dedescomposición, que les dio existencia a partir de la roca madre; las rocas sobre todo lassanas trituradas o rotas, no han estado antes sujetas a procesos intensos demeteorización y estos pudieran tener consecuencias muy notables.

Cada caso requiere la realización de pruebas de campo y de laboratorio sobre las rocasque forman el banco en estudio. La mejor prueba de campo es, quizá, la duplicación deun proceso de excavación análogo al que después se usará en forma masiva, para verobjetivamente qué material se obtiene; ésta será, necesariamente, una prueba a escalasuficientemente grande, como para ser realista.

La posibilidad de deterioro de la roca con el tiempo es mucho más difícil de establecer.Quizá la mejor orientación pueda tenerse observando lugares en que la roca haya estadoexpuesta durante mucho tiempo.

La valuación preliminar de los suelos se hace sobre todo con base en experienciaprecedente; la clasificación en el Sistema Unificado ayuda en todos los casos, pues estesistema lleva aparejado al encasillamiento en un grupo determinado, todo un conjunto deíndices de comportamiento. La valuación en detalle de los suelos constitutivos de unbanco ha de hacerse con base en pruebas de laboratorio.

LOCALIZACION DE BANCOS

Pocos aspectos prácticos son tan importantes en la realización de una vía terrestre y, a lavez, resultan más elusivos para un tratamiento general, que el que se refiere al desarrollode criterios y técnicas para la localización de bancos de materiales. El tema es de talimportancia que no puede considerarse completo un proyecto o digno de autorizaciónpara su ejecución, si no contiene una lista completa y detallada de los bancos demateriales de los que han de salir de los suelos y rocas que forman la obra. En este caso,la expresión "bancos de materiales" ha de ser tomada en su sentido más general y puede



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referirse a los cortes de donde se construirá un terraplén o un balcón en un método decompensación longitudinal o transversal, a los materiales del terreno natural de donde seextraerá un préstamo lateral o a un banco propiamente dicho.

Localizar un banco es más que descubrir un lugar en donde exista, un volumen

alcanzable y explotable de suelos o rocas que pueda emplearse en la construcción de unadeterminada parte de una vía terrestre, satisfaciendo las especificaciones de calidad dejainstitución constructora y los requerimientos de volumen del caso. El problema tiene otrasmuchas implicaciones. Ha de garantizarse que los bancos elegidos son los mejores entretodos los disponibles en varios aspectos que se interrelacionan. En primer lugar, en lo quese refiere a la calidad de los materiales extraíbles, juzgada en relación estrecha con el usoa que se dedicarán. En segundo lugar, tienen que ser los más fácilmente accesibles y losque se puedan explotar por los procedimientos más eficientes y menos costosos. Entercer lugar, tienen que ser los que produzcan las mínimas distancias de acarreo de losmateriales a la obra, renglón éste cuya repercusión en los costos es de las másimportantes. En cuarto lugar, tienen que ser los que conduzcan a los procedimientosconstructivos más sencillos y económicos durante su tendido y colocación final en la obra,requiriendo los mínimos tratamientos. En quinto lugar, pero no el menos importante, losbancos deben estar localizados de tal manera que su explotación no conduzca aproblemas legales de difícil o lenta solución y que no perjudiquen a los habitantes de laregión, produciendo injusticias sociales. Es evidente que en cualquier caso prácticomuchos de los requisitos anteriores estarán en contraposición y la delicada labor delingeniero estriba precisamente en elegir el conjunto de bancos que concilie de la mejormanera las contradicciones que resulten en cada caso.

Por debajo de este primer estrato de condiciones básicas que han de conciliarse existe unsegundo, muy tupido, formado por las interrelaciones entre los elementos del primero. Porejemplo, de entre dos materiales posibles para un cierto uso podrá haber una diferenciaen la calidad técnica cuando están en estado natural, pero esa diferencia podrá anularse oaún invertirse si el peor material recibe un tratamiento adecuado, se estabiliza de algunamanera o si, tal vez, el proyecto se modifica de manera que un material que no eraoriginalmente apropiado, ahora resulta utilizable. De hecho, esta interrelación entre losmateriales de construcción y el proyecto de la obra es esencial a tal grado que, como sedijo, el proyecto de una vía terrestre carece de sentido si no se le enfoca como unconjunto que comprenda los bancos de materiales disponibles y la utilización que de ellospretenda hacerse.

Evidentemente todo el complicado balance que más arriba se ha insinuado comienza conuna etapa de localización simple, al final de la cual el ingeniero debe disponer de un mapadonde aparezcan todos los posibles aprovechamientos de material que puedan interesar asu obra, habiéndose probablemente excluido otros muchos, por algún o algunos incon-venientes obvios. Entre todo este conjunto de bancos que se vean factibles, deberá elingeniero desarrollar sus líneas de opción en estrecha vinculación con su proyecto.

La búsqueda y localización de bancos de materiales puede hacerse principalmente porfotointerpretación o por reconocimientos terrestres directos; estos últimos puedenauxiliarse, a su vez, por la fotointerpretación o por métodos de prospección geofísica.



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Será preciso insistir, sin embargo, en que la fotointerpretación ofrece un método sin rivalpara explorar grandes áreas a bajo costo, en forma que fácilmente puede equivaler enprecisión a un reconocimiento terrestre, especialmente si la institución que busca losbancos utiliza geólogos bien entrenados en la aplicación del método; de hecho este es,sin duda, uno de los aspectos en que la Geología Aplicada puede contribuir más

eficazmente a la tecnología de las vías terrestres.Bien sea que se utilice como único método de detección o como complemento de unestudio de foto-interpretación, el reconocimiento terrestre del futuro banco esindispensable. En él deberá definirse no sólo la posibilidad de la explotación, sino tambiénel grado de dificultad de la misma, los problemas que pudieran acarrear aguassuperficiales o subterráneas, los volúmenes disponibles, las facilidades legales, etcétera.El ingeniero que realice esta labor previa ha de recurrir siempre a la experiencia local, quepodrá enseñarle muchas cosas útiles, de las que fácilmente pueden pasar inadvertidas.

Comúnmente es necesario localizar bancos para material dé terracerías, para capa sub-rasante, para sub-base y basé de pavimento y para carpeta, en el caso de carreteras. Enferrocarriles, habrán de localizarse bancos para terraceriá, capa sub-rasante, sub-balastoy balasto. En aeropistas las necesidades se enlistan igual que para carreteras. Enañadidura, podrán requerirse bancos para la obtención de los materiales necesarios parala elaboración de concretos, de piedra para mampostería u otros especiales. Huelga decirque, muchas veces un mismo banco puede proporcionar material para varios de esosusos, sometiendo su producto a diferentes tratamientos.

Los bancos para terracerías en general abundan y son fáciles de localizar, pues para esefin sirven casi todos los materiales que sean económicamente explotables; lasexcepciones se analizaron en partes anteriores de este libro (suelos, MH, CH y OH, conlímite líquido mayor que 100 % y suelos Pt). Sin embargo pueden presentarse algunosproblemas, precisamente por aparecer esos materiales merecedores de rechazo por sumala calidad, en llanuras lacustres, zonas de inundación, depósitos de delta, grandes pla-nicies aluviales y costeras y otras zonas, en donde abunden los depósitos muy finos. Entodos estos casos, no es raro tener que buscar los aprovisionamientos de materiales fuerade esas zonas, si no son demasiado extensas.Los bancos de terracerías conviene fijarlos no demasiado espaciados, para no dar lugar adistancias de acarreo excesivas; la separación óptima está en la mayoría de los casos dela práctica, allá donde se alcance el equilibrio de costos entre el acarreo, por un lado y elcosto del despalme y preparación del banco por el otro. Las distancias que resultan nosuelen exceder los 5 km entre banco y banco, aunque podrá haber casos especiales enque estas distancias sean mucho mayores, sobre todo en zonas agrícolas, en que loscostos de afectación son muy altos.

En lo que se refiere a la capa subrasante, ya se Mencionaron los materiales que puedenutilizarse y los que deben rechazarse, de acuerdo con la práctica mexicana, que puedecitarse como una norma de criterio. Un requisito que condiciona adicionalmente losbancos de materiales elegidos es ahora el de lograr homogeneidad en longitudes sig-nificativas, para evitar que las estructuras y espesores de las capas de pavimentosuprayacentes varíen con demasiada frecuencia. Las distancias comunes entre bancospueden extenderse en este caso hasta 10 km.



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Los materiales para sub-base y base de pavimento, además del requisito anterior, suelenestar condicionados en forma importante por los tratamientos mecánicos que llegan arequerir para satisfacer las normas de calidad, mismos que, en añadidura, necesitan de lainstalación de equipos especiales y plantas complejas, que no conviene mover mucho.

Por todo ello, suelen estar mucho más espaciados, al grado que distancias del orden de50 km no son difíciles de ver.

Los bancos para sub-rasante suelen encontrarse en los oteros bajos y extendidos, enformaciones de roca muy alterada, en las zonas limo-arenosas de los depósitos de ríos,en zonas de depósito volcánico de naturaleza piroclástica, como conos cineríticos o to-báceos, en horizontes arenosos de formaciones estratificadas extensas, etcétera.Los materiales para sub-base, y base suelen encontrarse en playones y márgenes deríos, en frentes y cantiles rocosos, cerros relativamente elevados y de pendiente abrupta,etcétera.

Los materiales para concretos asfálticos o hidráulicos se obtienen casi siempre portrituración, a partir de formaciones rocosas sanas. Las mamposterías se obtienen deformaciones rocosas fracturadas o de recolección superficial.

EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE BANCOS

La exploración de una zona en la que se pretenda establecer un banco de materialesdebe tener las siguientes metas:

1) Determinación de la naturaleza del depósito, incluyendo toda la información que seadable obtener sobre su geología, historia de explotaciones previas, relaciones conescurrimientos de agua superficial, etcétera.

2) Profundidad, espesor, extensión y composición de los estratos de suelo o roca que sepretendan explotar.

3) Situación del agua subterránea, incluyendo posición y variaciones del nivel freático.

4) Obtención de toda la información posible sobre las propiedades de los suelos y lasrocas, los usos que de ellos se hayan hecho, etc.

La investigación completa está formada por tres etapas:

1. Reconocimiento preliminar, que debe incluir la opinión de un geólogo. En esta etapadebe considerarse esencial el contar con el estudio geológico de la zona, por sencillo quesea.

2. La exploración preliminar, en la que por medio de procedimientos simples y expeditos,pueda obtenerse información sobre el espesor y composición del subsuelo, la profundidaddel agua freática y demás datos que permitan, en principio, definir si la zona esprometedora para la implantación de un banco de las características del que se busca ysi, por consiguiente, conviene continuar la investigación sobre ella.



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3. La explotación definitiva, en la que por medio de sondeos y pruebas de laboratorio hande definirse detalladamente las características ingenieríles de los suelos y las rocasencontradas.

EXPLORACIÓN DE SUELOS EN VÍAS TERRESTRESEn las vías terrestres se utilizan esencialmente los mismos métodos de exploración ymuestreo de suelos que son comunes a todos los campos de aplicación de la Mecánicade Suelos. Así, atendiendo a tal circunstancia, no sería necesario tratar el tema en estelibro, dado que puede consultarse en la literatura tradicional que existe sobre Mecánica desur los. De hecho, este es el criterio con que se abordara el presente párrafo, en el cualno se tratarán los temas referentes a métodos de exploración, tipos de muestreadores,técnicas de muestreo, etc. Estos puntos podrán consultarse en general en lasaplicaciones particulares a las vías terrestres. Sin embargo exista algunas ideas paradefinir criterios generales que si resulta conveniente discutir, si bien someramente, en loque sigue.

Estudios geológicos y fotointerpretación

Los mapas geológicos constituyen una información básica invaluable para el proyecto delas vías terrestres. Con trabajo de campo o con fotointerpretación de paresestereoscópicos de aerofotografía pueden determinarse los tipos de formaciones desuelos y rocas, así como sus límites y secuencias, lo cual proporcionará la primera ideaen relación con las propiedades mecánicas de los suelos existentes en la zona en que seproyecta la vía terrestre, lo mismo que la primera información sobre problemas deestabilidad. Por los mismos procedimientos es posible definir las estructuras geológicasde interés, tales como fallas, trayectorias de juntas y fisuras, deslizamientos de tierrasanteriores, etc. Un estudio geológico que incluya un mapa geológico con suficientesdetalles es, entonces, el primer paso obligado en proyecto de una vía terrestre. Laelaboración de estos estudios debe verse invariablemente como económica eimprescindible.

Las técnicas de la fotointerpretación han incorporado más y más al conjunto de estudiopara proyecto que la mejor experiencia va viendo como obligatorios. Estas técnicaspermiten acelerar notablemente la producción de información y ahorran un gran númerode recorridos de campo. Los principales datos que es posible obtener de estudios defotointerpretación son los siguientes:

1. Características sociales y económicas de la zona por la que se desarrollará la víaterrestre, incluyendo poblaciones, industrias, cultivos, minería, y un levantamiento de lasobras de ingeniería existentes la región.

2. Topografía de la zona, incluyendo facilidad de acceso.

3. Datos climáticos y relacionados con el clima, tales como vegetación, humedad, etc.



4. Factores hidrológicos, tales como corrientes importantes, longitud y localización depuentes Y configuración precisa del drenaje regional.

5. Descripción general de rocas y suelos.

6. Identificación de características geológicas de interés, tales como formaciones lacustreso pantanosas, formaciones inestables, lugares de erosión acentuada, falta o abundanciade materiales de construcción posibles dificultades para realizar excavaciones zonas de

02_geología. elaboración de texto, libro de prácticas o guía.pdf

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