Tema 7. Macizo rocoso. Caracterización y análisis.

Geología. Ingeniero Técnico de Obras Públicas.

1.- Definición de macizo rocoso.Matriz rocosaDiscontinuidades estructurales.

2.- Deformación del macizo rocoso.2.1.- Comportamiento mecánico de las rocas sometidas a esfuerzos.2.2.- Fallas: definición, elementos y tipos.2.3.- Cabalgamientos: definición y elementos.2.4.- Pliegues: definición, elementos y tipos.

3.- Caracterización del macizo rocoso.Clasificación de Bieniawski. Índice RMR.Ensayos de laboratorio.Ensayos In Situ.

Bibliografía recomendada

* Blyth, F., de Freitas, M. 1984. A Geology for Engineers. Ed. Arnold.* Ferrer, M; González de Vallejo, L. 1999. Manual de Campo para la descripción y caracterización de macizos rocosos en afloramientos. Instituto Tecnológico Geominero de España.* González de Vallejo, L. 2002. Ingeniería Geológica. Ed. Prentice Hall.* Waltham, A. C. 1994. Foundations of Engineering Geology. Ed. Blackie Academic & Professional.* López Marinas, J.M. Geología aplicada a la Ingeniería Civil. Edit. Cie-Dossat * Monroe, J.S., Wicander, R. & Pozo, M. Geología. Dinámica y evolución de la Tierra. 2008

1. Definición de macizo rocoso.

Conjunto formado por la matriz rocosa (roca intacta) + discontinuidades

discontinuidades

matriz rocosa (roca intacta)

Estudio individualizado de sus propiedades y de su efecto en obra:

Matriz rocosa:

- Caracterización mineralógica

- Resistencia y deformabilidad

- Grado de meteorización

- Porosidad y permeabilidad primaria

- ….

Discontinuidades:

- Resistencia a tracción

- Orientación respecto al desarrollo de la obra (por ejemplo excavación de un talud)

- Densidad de fracturación y permeabilidad secundaria

- .....

Discontinuidad (Ferrer y González de Vallejo, 1999):

Cualquier plano de origen mecánico (rotura) o sedimentario en un macizo rocoso, que normalmente muestra una resistencia a tracción reducida.

Confieren un comportamiento discontinuo y no uniforme al macizo rocoso y en cualquier caso representan un plano de debilidad.

Los principales tipos de discontinuidades son:

1. Estratificación: superficie de espesor superior a 1 cm que separa unidades adyacentes y paralelas, al menos por un discreto cambio litológico

2. Laminación: superficie de espesor inferior a 1 cm

3. Falla: fractura a lo largo de la cual existe un desplazamiento relativo de los bloques

4. Diaclasa: fractura sin desplazamiento de los bloques

5. Fisura: fractura sin desplazamiento y de pequeña extensión. Sin conexión con otras discontinuidades.

6. Planos de esquistosidad: planos con espaciado milimétrico de origen tectónico propios del metamorfismo y con una disposición perpendicular a la dirección de los esfuerzos

7. Plano de deslizamiento: superficie originada por movimientos de cizalla

2. Deformación del macizo rocoso.

2.1. Comportamiento mecánico de las rocas sometidas a esfuerzos.

Esfuerzos tectónicos => deformación de las rocas dando lugar a distintas estructuras

a) la magnitud de los esfuerzosb) comportamiento de mecánico de las rocas:

Frágil (mayoritario entre las rocas expuestas en superficie o a escasa profundidad):

La deformación de la roca es proporcional al esfuerzo y cuando el esfuerzo supera su resistencia ( límite elástico) se rompen. Si dicho límite no es superado, al relajarse los esfuerzos se recupera la forma inicial.

Dúctil (sales, yesos, arcillas o cualquier otra a cierta profundidad):

La deformación no es proporcional al esfuerzo y superado el límite plástico la deformación continua sin incremento de esfuerzo. No se recupera la forma original => deformación permanente

FALLAS-DIACLASAS

PLEGAMIENTO

2.2. Fallas.

Definición: fractura con desplazamiento de los bloques

Clasificación => en función del desplazamiento relativo de los bloques

bloque de techo: por encima del plano de fallabloque de muro: bajo el plano de falla

a) Falla normal: - bloque de techo desciende a favor de la pendiente del plano de falla. - la formación geológica más moderna se pone en contacto con la más antigua. - están asociadas a esfuerzos distensivos.

b) Falla inversa: - el bloque de techo asciende en contra de la pendiente del plano de falla. - La formación geológica más antigua se pone en contacto con la más moderna. - Están asociadas a esfuerzos compresivos.

c) Falla de desgarre: - movimiento en horizontal

2.3. Cabalgamiento.

Falla inversa muy tendida con buzamiento inferior a 30º, que corresponde con el desplazamiento de una gran extensión, tanto longitudinal como en profundidad, de formaciones geológicas antiguas (unidad alóctona o cabalgante) sobre formaciones geológicas más modernas (unidad autóctona o cabalgada).

Los esfuerzos tectónicos compresivos se prolongan durante un intervalo de tiempo geológico muy grande y las formaciones mantiene un comportamiento mecánico intermedio entre elástico y plástico. Normalmente existe una formación geológica con cierta plasticidad que actúa como nivel de despegue y es posible que el cabalgamiento se divida en varias escamas. Es una estructura muy frecuente en las cordilleras Cantábrica, Bética y Pirenaica.

Or

Unidad alóctona

Unidad autóctona

Nivel de despegue

2.4. Pliegues.

Resultado de esfuerzos tectónicos compresivos que generan una deformación dúctil sobre rocas mecánicamente plásticas (sometidas a altas P y T).

Elementos que permiten describir un pliegue: a) Eje de pliegue: línea que contiene los puntos de máxima curvatura del pliegue en un único estrato.b) Plano axial: plano que contiene todos los ejes de pliegue de los distintos planos de estratificación.c) Flanco de Pliegue: superficie del pliegue comprendida entre dos planos axiales.d) Línea de cresta: línea que contiene los puntos topográficamente más elevados en un pliegue anticlinal.e) Línea de seno: línea que contiene los puntos topográficamente más bajos en un pliegue sinclinal.

Plano axialEje de

pliegue

Flanco de

pliegue

Elementos que permiten describir un pliegue: d) Línea de cresta: línea que contiene los puntos topográficamente más elevados en un pliegue anticlinal.e) Línea de seno: línea que contiene los puntos topográficamente más bajos en un pliegue sinclinal.

Eje de pliegue

Vergencia

Plano axial

Línea de cresta o charnela

Línea de seno

Plano axial vertical => pliegue recto. Plano axial no vertical => pliegue con vergencia => línea de cresta o seno y eje de pliegue no coinciden en el mismo punto.

3.- Caracterización del macizo rocoso.

Fase inicial de una obra => caracterización del macizo rocoso.

Clasificaciones geotécnicas => Bieniawski en 1979 (Rock Mass Ratio, RMR)

Análisis, caracterización y aproximación semi-cuantitativa a la calidad del macizo rocoso =>

RMR (Rock Mass Ratio) = valoración de las que se deduce una calidad:

Muy buena – Buena – Aceptable – Mala – Muy mala.

Funciones:

- Útil cuando el sustrato es roca o “suelos duros”- Valora las propiedades de la matriz rocosa y de las discontinuidades por separado pero la clasificación es conjunta. - Permite delimitar zonas con diferentes propiedades.- Permite delimitar zonas con diferente calidad del macizo rocoso.- Permite identificar zonas que requieren tratamiento para mejorar sus propiedades- Amplia aplicabilidad: taludes de carreteras, interior de túneles, excavaciones profundas, cerradas de presas, cimentación, etc.- Ingeniería Civil y Minería

Parámetros de clasificación:

1. Resistencia de la matriz rocosa

2. Fracturación del macizo rocoso: determinación índice RQD (rock quality design)

3. Separación o espaciado entre discontinuidades

4. Estado de las discontinuidades

5. Circulación de agua

6. Corrección por la orientación de discontinuidades

1. Resistencia de la matriz rocosa:

- Ensayos de laboratorio => ensayo de resistencia a compresión simple- Ensayos in situ (en obra) => ensayo de carga puntual (PLT).

En ambos casos se pretende determinar cual es la resistencia máxima de la matriz rocosa antes de que se produzca rotura, es decir, antes de superar el límite elástico.

Ensayos de resistencia (en laboratorio):

- Ensayo uniaxial o compresión simple

- Ensayo triaxial

Célula de cargaPrensa hidráulica

1

Ensayo de Compresión Uniaxial

1

2 = 3

Ensayo de Compresión Triaxial

Ensayos de resistencia (en laboratorio):

- Ensayo uniaxial o compresión simple

- Ensayo triaxial (confinamiento lateral mediante fluido a presión)

Permiten determinar la resistencia a compresión (límite elástico) y la deformación de la matriz rocosa según se aplican los esfuerzos

Factores geológicos que afectan a estos ensayos:a) Litología.b) Tamaño de grano y cementación (rocas sedimentarias).c) Porosidad.d) Microfisuracióne) Grado de meteorización o alteración

Ensayos de resistencia (in situ “en obra”):

- Ensayo de carga puntual o PLT

- Martillo Schmidt

Sistema mucho más sencillo, rápido y barato, pero de menor precisión.

Resistencia al corte de discontinuidades.

La valoración del primer parámetro, resistencia matriz rocosa o roca intacta, depende del método empleado:

2. Grado de fracturación del macizo rocoso => índice RQD (Rock Quality Designation)

Define el grado de fracturación del macizo rocoso a partir del análisis de testigos recuperados en sondeos ( 54.7 mm)

a)

c)

b)

3. Separación o espaciado entre diaclasas.

Distancia que existe entre dos planos de discontinuidad consecutivos y de una misma familia, medida en dirección perpendicular a dichos planos. El espaciado define el tamaño del bloque de matriz rocosa así como una referencia al grado de fracturación.

4. Estado de las diaclasas.

Rugosidad + apertura + ausencia/presencia de relleno

Situación más desfavorable discontinuidad lisa, con gran apertura y con presencia de relleno arcilloso expansivo.

5. Circulación de agua a través de las discontinuidades. Agua freática.

Indicativo la meteorización sufrida por la roca así como el efecto lubricante del agua. Según el tipo de obra, este parámetro puede ser interpretado y calibrado de forma diferente.

6. Corrección por orientación de las discontinuidades.

La orientación de una discontinuidad requiere la determinación de los siguientes parámetros:• Dirección del plano (): ángulo formado entre el norte geográfico y la proyección de la línea de

dirección que representa al plano. Se entiende por línea de dirección (strike line) la línea resultante de la intersección entre el plano de discontinuidad y el plano horizontal.

• Buzamiento (): ángulo medido en la vertical entre el plano horizontal que representa al terreno y la línea de máxima pendiente del plano de discontinuidad.

La dirección del plano puede expresarse también mediante la dirección de buzamiento (dip direction), entendido este último como el ángulo entre el norte geográfico y la proyección de la línea de máxima pendiente sobre el plano horizontal.