El Macizo Rocoso: Tema 5

TEMA 5:

EL MACIZO ROCOSO 1. 2. 3. 4. 5.

Características de la discontinuidades Formas de rotura en los taludes rocosos Clasificaciones geomecánicas Deformabilidad del macizo rocoso Resistencia de las discontinuidades

5.1. Características de discontinuidades • • • • •

Orientación y número de discontinuidades Frecuencia o espaciado de las juntas (distancia entre dos discontinuidades) Grado de apertura o separación (abierto o cerrado) Extensión, persistencia, continuidad Rugosidad o textura superficial (pulida, lisa o rugosa) y relleno (sin o con relleno, tipo de relleno)

Orientación de discontinuidades:

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

Rotura plana

Rotura en cuña (Andorra)

Roturas por vuelco : BC, Canada

Roturas por vuelco : Barcelona

5.3. Clasificaciones geomecánicas

Características y objetivos: • proporcionar una evaluación geomecánica global del macizo rocoso a partir de observaciones en el campo y ensayos sencillos • estimación de la calidad del macizo rocoso (y de los parámetros de resistencia) • definir las necesidades de sostenimientos

Metodología general: • se intenta dividir el macizo en grupos de comportamiento similar

Índice de calidad de las rocas, RQD “rock quality designation” • Se basa en la recuperación modificada de un testigo (El porcentaje de la recuperación del testigo de un sondeo) • Depende indirectamente del número de fracturas y del grado de la alteración del macizo rocoso

RQD 

Σ(longitud_fragmentos_  10cm) x100 longitud_total_perforada

RQD (%)

Calidad de roca

< 25 25 - 50 50 - 75 75 - 90 90 - 100

muy mala mala regular buena excelente

 Formula alternativa (cuando no hay sondeos): RQD = 115 – 3.3Jv para Jv > 4.5 RQD = 100 para Jv ≤ 4.5 Jv : numero de juntas identificadas en el macizo rocoso porm3

Deree et al. (1967)

RQD en sondeos

Clasificación de Bieniawski (R.M.R.) “rock mass rating”

Z. T. Bieniawski (1979)

Se valora una serie de parámetros: • Resistencia del material intacto valor máximo = 15 (ensayo carga puntual o compresión simple) • R.Q.D. valor máximo = 20 valor máximo = 20 • Distancia entre las discontinuidades • Condición de las discontinuidades valor máximo = 30 • Agua subterránea valor máximo = 15

RMR = (1) + (2) + (3) + (4) + (5) Clasificación de RMR (oscila entre 0 y 100): Clase

Calidad de roca

RMR

I II III IV V

muy buena buena regular mala muy mala

81 100 61 – 80 41 – 60 21 – 40 0 - 20

Relación entre RMR y propiedades geomecánicas: c = 5*RMR fi = 5 + (RMR/2)

(kPa) ( º)

Clasificación adaptada de Bieniawski para taludes (SMR) “slope mass rating” M. Romana Ruiz (1992) Factor de ajuste de las juntas F1: depende del paralelismo entre el rumbo de las juntas y de la cara del talud. F2: depende del buzamiento de la junta en la rotura plana. F3: refleja la relación entre los buzamientos de la junta y el talud. Factor de ajuste según el método de excavación F4: establecido empíricamente

SMR = RMR + (F1 * F2 * F3) + F4 Relación entre el índice SMR y la estabilidad del talud: SMR

Estabilidad

100-81

Totalmente estable

80-61

Estable

60-41

Parcialmente estable

40-21

Inestable

< 20

Totalmente inestable

Índice Q de Barton (rock mass quality) Barton et al. 1974 Se hace una valoración con un índice Q a partir de valores de diferentes parámetros:

Q RQD Jn Jr Ja Jw SRF

RQD J r J w   Jn J a SRF

Índice de calidad de la roca número de familias coeficiente de rugosidad de la junta coeficiente de alteración de la junta coeficiente reductor por la presencia de agua factor reductor por tensiones en el macizo rocoso

Q (rock mass quality) 0.001 – 0.01 0.01 – 0.1 0.1 – 1.0 1.0 – 4 4 – 10 10 – 40 40 – 100 100 – 400 400 - 1000

valoración excepcionalmente mala extremadamente mala muy mala mala regular buena muy buena extremadamente buena excepcionalmente buena

Jn número de familias Roca masiva Una familia de juntas Id. con otras juntas ocasionales Dos familias de juntas Id. con otras juntas ocasionales Tres familias de juntas Id. con otras juntas ocasionales Cuatro o más familias, roca muy fracturada Roca triturada

Jr coeficiente de rugosidad de la junta Juntas (contacto entre las dos caras) Discontinuas Onduladas, rugosas Onduladas, lisas Onduladas, perfectamente lisas Planas, rugosas o irregulares Planas, lisas Planas y perfectamente lisas Juntas rellenas (relleno impide contacto entre las dos caras) material arcilloso Material arenoso, de grava o triturado

Brecha de falla (Castellón)

valor 0.5 – 1 2 3 4 6 9 12 15 20

Q

RQD J r J w   J n J a SRF

valor 4 3 2 1.5 1.5 1 0.5

1 1

Ja coeficiente de alteración de la junta Juntas (sin minerales de relleno intermedios) Juntas de paredes sanas Ligera alteración Alteraciones arcillosas Juntas (minerales de relleno en pequeño espesor) Con partículas arenosas Con minerales arcillosos no blandos Con minerales arcillosos blandos Con minerales arcillosos expansivos Juntas (minerales de relleno en gran espesor) Con roca triturada/desintegrada y arcilla Con zonas de arcilla limosa o arenosa Con zonas de arcillosos (espesor grueso)

valor 0.75 – 1 2 4

4 6 8 8 – 12

6 – 12 5 10 - 20

Plano de falla con estrías (Castellón)

Falla con relleno arcilloso (Reus)

Jw coeficiente reductor por la presencia de agua Excavaciones secas o con <5 l/min localmente Afluencia media con lavado de algunas juntas Afluencia importante por juntas limpias Id. Con lavado de juntas Afluencia excepcional inicial, decreciente con el tiempo Id. mantenida

valor 1 0.66 0.5 0.33 0.2 – 0.1 0.1 – 0.05

Q

RQD Jr wJ   Jn J a SRF

SRF Zonas débiles intersectan a la excavación: Multitud de zonas débiles o milonitos Zonas débiles aisladas, con arcilla o roca descompuesta (cobertura  50 m) Id. con cobertura > 50 m Abundantes zonas débiles en roca competente Zonas débiles aisladas en roca competente (cobertura  50 m) Id. con cobertura > 50 m Roca competente (problemas tensionales en las rocas) Pequeña cobertura Cobertura media Gran cobertura Rocas deformables (flujo plástico de roca) Con bajas presiones Con altas presiones Rocas expansivas Con presión de hinchamiento moderada Con presión de hinchamiento alta

Índice de resistencia geológica (GSI) Hoek & Brown (1994)

Valor 10 5 2.5 7.5 5 2.5 2.5 1 0.5 – 2 5 – 10 10 – 20 5 – 10 10 - 15

Corneanas fractruadas (Andorra)

Calizas fractruadas (Tarragona)

5.4. Deformabilidad del macizo rocoso Ensayos “in situ” de la deformabilidad Existen dos tipos de métodos básicos para determinar la deformabilidad de los macizos rocosos (aplicando la ley de la elasticidad): Métodos estáticos (ensayos de compresión con gatos / placas de carga)  Módulo de deformación estático, Eest Módulo de deformación “in-situ” Métodos dinámicos (ensayos con ondas de sonido)  Módulo de deformación dinámico, Edin

Métodos estáticos (ensayos de compresión con gatos / placas de carga)

o

w o: P: : Eest: r:

P(1  2 )  E est r

desplazamiento normal de la superficie carga normal concentrada Coeficiente de Poisson Módulo de deformación “in-situ” radio de la placa

Métodos estáticos Relación entre el Módulo de deformación estático y RMR

Eest = 2· RMR - 100

para RMR > 50

según Bieniawski (1979)

Eest = 10(RMR – 10)/40

para RMR < 50

según Serafim y Pereira (1983)

Ensayo con ondas de sonido • El Módulo de elasticidad (deformación dinámica) se deduce de la velocidad de propagación de ondas sísmicas • Se aplica ondas longitudinales (de compresión, p) y ondas transversales (de corte, s)

E din (1 )

  vlong    (1  )(1  2 )  

v trans

 E din     2 (1 ) 

1 2

1 2

vlong : vtrans: Edin: : :

velocidad de ondas longitudinales velocidad de ondas transversales Módulo de elasticidad / deformación dinámica Coeficiente de Poisson densidad del material

Ensayo con ondas de sonido Evaluación de Eest con ondas sísmicas: Schneider (1967) y Bieniawski (1978) proponen:

Eest = 0.054·ftrans – 9.2 Eest : ftrans:

Módulo (estático) de deformación “in situ” (en GP a) frecuencia de las ondas transversales (en Hz)

Módulo de deformación “in situ” (estático)  Módulo de deformación dinámico

Eest (GPa)

5.5. Resistencia del macizo rocoso Criterios de rotura para macizos rocosos Criterio de Mohr-Coulomb = c’ + n’ tg ’  : resistencia al corte c’ : cohesión del macizo rocoso n‘ : tensión normal ‘ : ángulo de fricción interna

Criterio de Hoek y Brown

 1  3 

c

m

3 s c

1 y 3: tensiones principales mayor y menor en rotura c : resistencia a compresión simple (roca matriz) mys : constantes (dependen del macizo rocoso: GSI o RMR)

Resistencia de las discontinuidades Resistencia al corte / cizalla Esquema de ensayos: “in-situ” De laboratorio

n

 

 : tensión tangencial n : tensión normal n

Resistencia de las discontinuidades La resistencia al corte de las discontinuidades depende de: • Rugosidad • Cementación-cohesión

Resistencia de las discontinuidades Efecto de: • Cementación-cohesión

Resistencia al corte en discontinuidades planas

 p

Ley de Mohr-Coulomb: Tensión máxima (pico)

rotura /pico discontinuidad cementada

res

residual discontinuidad no cementada

Tensión residual (c = 0):



Resistencia de las discontinuidades Efecto de: • Rugosidad

Dilatancia:

Desplazamientos tangenciales y normales durante un corte directo

Resistencia de las discontinuidades Método de Patton: (influencia de la rugosidad)

p = b + i b : i:

ángulo de fricción básico de la discontinuidad (20-40º) ángulo que forma la irregularidad con respecto al plano de discontinuidad (0 – 40º)

Existen dos diferentes tipos de i: • primer orden • segundo orden

Resistencia de pico (considerando c = 0): p = n’ tan (b + i)

Resistencia de las discontinuidades Método de Barton y Choubey : (criterio no-lineal)



 JCS     n 

   n  tanr  JRC  log 10  

r :

ángulo de fricción residual coeficiente de rugosidad de la junta (puede ser 0 si la junta es plana y lisa) JRC: = (joint roughness coefficient) JCS: la resistencia a la compresión simple de las paredes de la discontinuidad = (joint wall compression strength)

Resistencia de la discontinuidad depende de tres componentes: •una componente friccional (r ) •una componente geométrica (JRC) •una componente de “asperidad” (JCS/n )

Además: r y JCS dependen del grado de meteorización