INGENIERÍA GEOLÓGICA Óscar Pintos Rodríguez
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INTRODUCCIÓN DEFINICIÓN E IMPORTANCIA DE LA I.G. Es la ciencia aplicada al estudio y solución de los problemas de la Ingeniería y del Medio Ambiente, producidos como consecuencia de la interacción entre las actividades humanas y el medio geológico. Intenta asegurar que los factores geológicos condicionantes de las obras públicas sean interpretados y tendidos en cuenta, así como evitar o minimizar las condiciones de los riesgos geológicos. La importancia de la I.G. se manifiesta en los proyectos y obras de Ingeniería donde el terreno constituye el elemento de soporte (material de construcción, excavación, almacenamiento, …), y en la prevención y control de riesgos geológicos, así como los impactos ambientales de las obras públicas, actividades industriales, mineras o urbanas.
FORMACIÓN Y PROFESIÓN La formación en I.G. debe basarse en un sólido conocimiento de las ciencias geológicas, el comportamiento mecánico de suelos y rocas, y su respuesta ante las obras de Ingeniería. Niveles de actuación a seguir • Viabilidad (seguridad, economía y factibilidad). • Anteproyecto (modelo geológico y modelo geotectónico). • Proyecto (adaptación del diseño a los modelos del terreno). • Construcción (ajustes y control del diseño a las condiciones reales del terreno). • Operación (control del comportamiento del terreno).
MECÁNICA DE ROCAS INTRODUCCIÓN La Mecánica de Rocas comienza con la aplicación de fuerzas sobre el terreno, modificando las condiciones que había y produciendo deformación y/o rotura. Es la ciencia teórica aplicada al estudio de las propiedades y comportamiento geomecánico de las rocas y de los macizos geológicos. Las fuerzas externas en un macizo rocoso es el aire (uniforme), y las internas (no uniformes) son el peso de la columna de material que hay por encima y las fuerzas del aire.
FACTORES INFLUYENTES MECÁNICO DE LAS ROCAS • •
•
EN
EL
COMPORTAMIENTO
Propiedades y características intrínsecas. Historia geológica o estado tensional. - Tensiones iniciales en las rocas (horizontales y verticales). - Estado de esfuerzas. Las fuerzas que actúan sobre el macizo rocoso. Factores ambientales (clima). Factores externos que actúan modificando las propiedades de las rocas.
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PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LAS ROCAS Peso específico: Relación entre el peso del cuerpo y el volumen. En el caso de las rocas es el peso de la unidad volumétrica del esqueleto del mineral sólido de la roca. γesp sal o yeso = 2.2 g/cm3; γesp mármol o basalto = 2.7 g/cm3. Porosidad: Huecos existentes entre los granos componentes de la materia sólida o entre las paredes de las fisuras producidas en ella después de consolidados sus V componentes mineralógicos. La porosidad viene definida por: η = H . La VT porosidad de los granitos y diabasas es de 01.15 y 30% en areniscas. Cuanto más porosa sea la roca, menos resistente será. Permeabilidad: Facultad de una roca para permitir que un fluido se mueva a través de sus poros. 10-3 en areniscas y 10-8 en granitos y lutitas. Cuanto más permeable sea más susceptible de alterarse será. Velocidad sónica: Velocidad de transmisión de ondas sísmicas en la roca. Más de 5000 m/s en rocas duras y menos de 1000 m/s en suelos. Alterabilidad: Facilidad de una roca de alterarse. Se mide mediante el índice de alterabilidad (ID). Resistencia: Propiedad de una roca de oponerse a su destrucción bajo una carga exterior, estática o dinámica; es la máxima fuerza que aguanta una roca antes de romperse. Para rocas duras es superior a 250 Mpa; Trabajaremos con relaciones F/S, a lo que denominamos esfuerzo (σ). Clasificación de las rocas en base a la resistencia La resistencia de una roca depende esencialmente de su composición mineralógica, siendo el cuarzo el más sólido (más de 500 Mpa); los silicatos ferromagnesianos y aluminosilicatos varían de 200 a 500 Mpa; la calcita de 10 a 20 Mpa. Así, cuanto más cuarzo tenga una roca más resistente será. A mayor porosidad, menor resistencia; a mayor tamaño de grano, menor resistencia porque mayor será la porosidad. Las rocas sedimentarias más resistentes son las que tienen cemento silíceo, mientras que el cemento arcilloso disminuirá la resistencia.
MACIZOS ROCOSOS
σ (esfuerzo)
Un macizo rocoso es el conjunto de la matriz rocosa (bloques de roca intacta) y las discontinuidades. En el estudio del macizo rocoso, se tiene en cuenta la caracterización de la matriz rocosa y discontinuidades, las tensiones naturales, los factores geoambientales y las estructuras tectónicas y sedimentarias singulares (Ej.: pliegues).
Material isótropo
Material anisótropo
Macizo rocoso muy machacado
θ (ángulo entre el esfuerzo principal y la normal al plano de discontinuidad
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Se denomina Elongación a la deformación lineal en una dimensión, se da en %, y Li − L f viene dada por la siguiente expresión: Dl = . Li La resistencia de la matriz rocosa depende de la cohesión (C: fuerza con la que se unen las partículas minerales) y de la fuerza de fricción (θ: ángulo de rozamiento interno a partir del cual se produce el deslizamiento entre un material y el mismo), que a su vez va a depender de la fuerza normal, ya que a mayor FN, mayor ángulo. Estos parámetros se miden con ensayos de resistencia: Ensayos de compresión simple F La resistencia de pico es la resistencia a la F compresión simple de la roca. σ = A
σ1
Ensayos de compresión triaxial (esfuerzo confinante) Con este ensayo obtenemos la fuerza de cohesión y la fuerza de fricción.. σ1>σ2=σ3>0. En estos ensayos, cuesta más romper la roca; la resistencia de pico es mayor que en los ensayos de compresión simple.
σ1 σpico
σ3 σ3
σresidual
τ
ε
Recta de Mohr-Coulomb. Recta de resistencia, por debajo de la cual, la roca no se rompe.
θ Círculo de Mohr
σ3
σN
σ1
σ
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Además, la roca se va a deformar. La deformación viene dada por las constantes elásticas de las rocas (sólo en los ensayos de compresión simple): Módulo de Young (E): Relación entre los esfuerzos que se producen en la roca y la deformación en ésta: E =
σ ax . Cuanto mayor sea E, más deformable será la ε ax
roca. Coeficiente de Poisson (υ): Relación entre el esfuerzo total y el esfuerzo axial.
υ=
εt . ε ax
Ensayo de corte directo (resistencia de corte) τ = C + σ N + tgθ
MECÁNICA DE SUELOS INTRODUCCIÓN La Mecánica de Suelos es la que estudia el equilibrio de los cuerpos sometidos a un sistema de fuerza, entendiendo por sistema de fuerza, lo que la estructura transmite al terreno; resistencia, la carga por unidad de área; la deformación, la variación de tamaño o cambio de volumen (puede ser deformación de cizalla o asiento, es decir deformación en la vertical). La deformación admisible es la que no produce daños en la estructura. El objetivo de la Mecánica de Suelos, es el reconocimiento del terreno para estimar su comportamiento frente a esfuerzos externos (deformación o rotura) y los efectos del agua con el fin de prever o mitigar daños.
SUELOS El suelo es un material geológico no consolidado o suelto, y que para su excavación se necesita el uso de maquinaria grande; es un conjunto formado por partículas sólidas y poros rellenos de agua o aire; sin cementación o poco cementado; disgregado; ocupa la parte de la corteza terrestre donde se desarrolla la mayor parte de la actividad humana y biológica; su origen puede ser sedimentario, producto de meteorización, o rellenos artificiales. Tiene una resistencia a compresión simple menor de 10 Kg/cm2. Los suelos no tienen una relación lineal única tenso-deformacional, sino que depende de la humedad. Su comportamiento va a depender de la presión, tiempo y ambiente; tienen variaciones bruscas en el espacio; se accede a un número limitado de muestra; las muestras extraídas están perturbadas. Clasificación de los suelos Suelos granulares: Normalmente, son buenos como terreno de cimentación, sobre todo si su compacidad es media o alta, y el espesor suficiente. No resisten tracciones, y su resistencia al corte, sólo es apreciable a partir de una cierta profundidad, ya que el propio peso hace aumentar el rozamiento entre los granos. Los asientos son pequeños bajo condiciones de carga estática, y se producen rápidamente, a no ser que las tensiones sean suficientes como para producir la fracturación de los granos, con lo que el proceso puede retrasarse. Se producen grandes asientos en caso de cargas dinámicas, especialmente con compacidades bajas, resultando en este caso conveniente una compactación mecánica. Por
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debajo del nivel freático, la arena fina y el limo pueden convertirse en movedizos, por disminución de las acciones mutuas de adherencia de partículas; en excavaciones bajo el nivel freático, existe el peligro de mantener en seco la excavación (sifonamiento). Suelos cohesivos: La consistencia, y con ella, su capacidad portante, depende de la humedad del suelo; hay que evitar que absorban agua. Debe evitarse, además, la desecación de los suelos húmedos, ya que puede producirse asientos por retracción del terreno; además, las grietas recogerían agua. Por su elevado volumen de poros, el asiento bajo carga, suele ser importante y muy lento, ya que el agua intersticial escapa con lentitud de los pequeños poros. El asentamiento depende principalmente de la compresibilidad de la arcilla que va ligada a su historia geológica, es decir, si está normalmente consolidada o consolidada. Los limos son malos terrenos de cimentación, pues una pequeña variación de la humedad es suficiente para modificar su consistencia. Los limos arcillosos tienen propiedades muy variables; los aluviales fangosos actuales suelen tener una compacidad baja y son muy compresibles. Las arcillas blandas o muy blandas son mal terreno de cimentación, especialmente si el espesor de los estratos es variable, ya que dan lugar a asientos diferenciales. La plasticidad dependerá de la cantidad y tipo de arcilla. Podemos hablar, además, de suelos mal graduados (más permeables, poco compactos y muy difícil de modificar sus propiedades; bien seleccionado), o suelos bien graduados (aumenta la resistencia a la compactación; los materiales tienen todas las fracciones de tamaños; mal seleccionados). Coeficientes de los suelos D - Cu = 60 = Coeficiente de uniformidad. Si D60 y D10 son muy D10 parecidos, el coeficiente de uniformidad será bajo, y por lo tanto, el suelo mal graduado. D302 = Coeficiente de curvatura. Cuando su valor está - Cc = D10 ⋅ D60 entre 1 y 3, el material está bien graduado, y si es distinto, mal graduado. - D10= Diámetro eficaz (correspondiente al 10% de finos). Cuanto menor sea, más permeable será el suelo.
AGUA EN LOS POROS La humedad (W), es una medida de la cantidad de agua en relación al contenido del masa agua sólido: W = ⋅ 100 . Su valor medio oscila entre 20% y 40%. masa sólido El agua no se comprime, transmite la presión directa; no tiene resistencia al corte; es la responsable de la cohesión; produce plasticidad, y por lo tanto, expansión o cambio de volumen. La saturación (S), es la proporción de huecos ocupados por agua: volumen de hue cos que contienen agua S= ⋅ 100 . En los suelos completamente secos, volumen total de vacío
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S=0%; en suelos saturados, S=100% (suelos bifásicos); en suelos no saturados, S oscila entre 0% y 100% (suelos trifásicos). Según aumenta el agua, disminuye la consistencia y aumenta la plasticidad, pasando los suelos de suelos finos sin agua, a un estado sólido, semiplástico, plástico, viscoso y suelos finos con agua. Los Límites de Atterberg marcan los contenidos de humedad que definen las fronteras entre estos estados. El Límite de Retracción es el punto en el que el suelo deja de modificar su volumen a pesar de perder agua; a mayor límite de retracción, el material será menos expansivo; El Límite Plástico es la frontera entre el estado plástico y el semisólido; El Límite Líquido es la frontera entre el estado plástico y el viscoso. El Índice de Plasticidad es el intervalo en el cual, el suelo tiene consistencia plástica: IP=LL-LP. Los factores que influyen en los límites, son la cantidad de fracción fina (a más finos, mayor plasticidad), la mineralogía y química de las arcillas, la existencia de clorita, halloisita o caolinita (suelos menos plásticos), o la existencia de esmectitas e illitas (suelos más plásticos). Para determinar el Límite Líquido, se separan finos de gruesos (se realiza en suelos de menos de 0.4 mm), añadimos agua destilada y amasamos, lo colocamos en la cuchara y abrimos un orificio; el contenido de agua que se requiere para cerrar una distancia d 13 mm el orificio a 25 golpes, se define como Límite Líquido.
PROPIEDADES FÍSICAS • • • • • •
Peso del suelo sec o . Volumen total Peso del suelo Peso específico aparente (suelo semihúmedo): γ ap . Volumen total Peso del suelo húmedo Peso específico aparente saturado (S=100%): γ sat . Volumen total Peso específico sumergido: γ = M s + M w − Vs ⋅ γ w . Volumen de vacío Índice de poros: e = . Volumen de sólido Volumen de vacío Porosidad: η = . Volumen total
Peso específico del suelo seco (S=0): γ d
Normalmente, cuando los valores de porosidad y de índice de poros disminuyen, se produce la disminución de la compresibilidad y aumenta la resistencia.
ENSAYOS Ensayos de resistencia - Ensayo de corte directo o simple. Fijamos un plano y obligamos al material a romperse por ese plano. - Ensayo de compresión simple. No utilizado en suelos. - Ensayos de compresión triaxial (el mejor). Aplicamos un esfuerzo de confinamiento y otro esfuerzo axial, produciendo la rotura. Ensayos de deformación Compresibilidad – Edómetro.
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La resistencia al corte
FN
R
Generamos una resultante que nos dice cuál es la resistencia del material para desplazarse o quedarse quieto
ϕ
FN
Criterio de rotura e Coulomb La resistencia al corte, se basa en dos componentes, la cohesión (C) y la fricción: τ f = C + σ f ⋅ tgθ . τ INESTABLE
τF
ϕ
ESTABLE
C σF
σ
Factores que controlan la resistencia al corte Composición química o mineralógica: los minerales más duros tienen una resistencia friccional mayor. Contenido de finos. Compactación. Contenido en agua.
CIMENTACIONES INTRODUCCIÓN Uno de los objetivos de la Ingeniería Geológica, es el reconocimiento del terreno para la aplicación de las obras, mediante el reconocimiento del terreno (foto aérea, mapas geológicos, reconocimiento en campo, …), ensayos in situ, sondeos, penetrómetors (SPT, Borros, …), y ensayos de laboratorio (identificación y clasificación, resistencia y deformación, …). Con todo esto se hace un reconocimiento general del terreno para realizar una cimentación.
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La Ingeniería de Cimentaciones es el arte de transmitir de manera económica los cargos estructurales del terreno, bien por estructuras, o bien por el terreno, de forma que no se produzcan asentamientos excesivos de la estructura (no se hunda, no se dañe, no dañe a otros, …). Se trata de alcanzar un nivel de apoyo, un terreno portante adecuado competente, es decir, el firme. La resistencia debe estar cera de la tensión superficial. La deformabilidad del terreno o asiento, debe ser aquella en la que no se produce daño en el terreno.
BASE DE DISEÑO DE LAS CIMENTACIONES Nivel de apoyo o firme (característica geotécnica). Tipo de cimentación (en función de la profundidad y forma de transmisión de carga). Presión admisible (cálculo de cargas con fórmulas y tablas). Cantidad y forma de deformación (asientos y roturas).
TIPOLOGÍA DE CIMENTACIONES •
•
CIMENTACIONES SUPERFICIALES: La estructura se apoya directamente en el terreno a escasa profundidad (4 metros). La forma en la que se transmite la carga en este tipo de cimentaciones, se llama reparto de cargas en la horizontal. Cuando nosotros transmitimos una carga determinada, llega hasta una profundidad adecuada, denominada profundidad de influencia (1.5 – 2); cuanto más ancha es la losa, mayor será la profundidad de influencia. Los inconvenientes de este tipo de cimentaciones, son la inexistencia de seguridad frente al hundimiento del terreno en el nivel o bajo el nivel de apoyo, la presión admisible debe ser baja, la compresión alta, asientos angulares, gran potencia de suelos finos, cargas muy elevadas. En terrenos expansivos, si no hay incorporación de agua, y si la carga que transmite el material, es mayor que la presión de expansión, no hay problema; Los suelos con cavidades, son materiales muy flojos y con porosidad muy alta, por lo que se suelen aplicar tratamientos (rellenos); En los suelos con yesos, se producen disoluciones, por lo que habría que utilizar otros tratamientos; En terrenos con cavidades calcíticas, se rellenan dichas cavidades con hormigón. Las cimentaciones superficiales, pueden ser: - Zapata aislada: Estructura formada por hormigón y acero que tiene una columna o cabecera, y una base. - Zapatas aisladas y arrastriadas que evita un desplazamiento horizontal: Edificios sustentados por pilares; Las riostras no suelen reducir la carga; Evitan desplazamientos laterales. - Zapatas corridas: En terrenos donde la longitud es mayor que la anchura; en terrenos de capacidad portante reducida. Resultan interesantes por razones constructivas. - Placas o losas: Son una sola estructura que tiene tanto columnas como la base unidos en el mismo material. En suelos con escasa capacidad portante, cargas elevadas y sin deformaciones. CIMENTACIONES PROFUNDAS: La estructura se apoya a profundidades mayores de 10 metros. Se realizan en terrenos difíciles con resistencia muy baja, donde la estructura exige una deformación mínima. Las cimentaciones profundas, pueden ser:
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-
•
Pilotes columna (reparto de punto): Su longitud es diez veces mayor que su diámetro; después del terreno blando, debemos encontrar uno competente. - Pilotes flotantes (reparto en la vertical): Se utilizan cuando por debajo del terreno balando no hay un competente y este terreno es más o menos homogéneo. En función del origen, los pilotes pueden ser in situ (se forman en el lugar de la cimentación; se perfora y luego se rellena de hormigón, acero o armadura), o pilotes inflables (pilotes prefabricados instalados a base de golpes en el terreno). Pueden ser macropilotes (diámetro de 50 cm a 1 m) o micropilotes (diámetro de 10 mm). CAJONES Y POZOS: Se utilizan cuando la profundidad es intermedia. Se abren pozos y se rellenan con materiales granulares.
INVESTIGACIONES IN SITU DISEÑO Y PLANIFICACIÓN Las investigaciones in situ constituyen la parte esencial de los estudios geológicos – geotécnicos necesarios para el proyecto, construcción de una obra de ingeniería. De ellos, se obtienen los parámetros y propiedades que definen las propiedades del terreno en donde se realizarán los proyectos constructivos, excavaciones y túneles. Los principales objetivos son determinar las condiciones geológicas de la zona de trabajo (tipos y características de los materiales geológicos, características de los macizos rocoso, orientación y características de las discontinuidades), conocer los problemas geológicos que puedan afectar a la construcción (filtraciones importantes, zonas tectonizadas, estados tensionales anisótropos, rocas agresivas y reactivas, …), cuantificar los datos y parámetros del terreno necesarios para el diseño de la obra (propiedades resistentes, deformaciones de los suelos, matriz rocosa y macizo rocoso, datos para clasificaciones geomecánicas), y aportar criterios para el diseño. Las técnicas de investigación que se utilizan, son sondeos, penetraciones y excavaciones (calicatas y pozos).
SONDEOS GEOTECTÓNICOS Su objetivo es obtener una muestra que represente exactamente las condiciones litológicas y propiedades del terreno. Se caracterizan por su pequeño diámetro (50 – 100 mm), ligereza, versatilidad, fácil desplazamiento de las máquinas, … Estas pruebas pueden alcanzar una profundidad de 150 m, a partir de la cual los equipos son más pesados. Permiten atravesar cualquier tipo de material, extraer testigos y efectuar ensayos en su interior. Pueden ser verticales, inclinados y horizontales. Tipos de sondeos Sondeos a rotación: Pueden perforar cualquier tipo de suelo o roca hasta profundidades muy elevadas y con distintas inclinaciones; la profundidad habitual no excede de los 100 m, aunque puede llegar hasta los 1000 m. La extracción del testigo es continuo, y el porcentaje de recuperación, puede ser muy alta dependiendo del sistema de extracción. Algunos materiales son difíciles de perforar por rotación, tales como las gravas, bolos o arenas finas bajo el nivel freático. El
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sistema de perforación consta de cabeza (pieza de unión entre el tubo portatestigos), manguito porta-extractor (aloja un muelle para cortar el testigo al sacarlo y no permite que se deslice durante la maniobra de extracción) y corona (elemento perforador; puede ser de widia {carburo de wolframio} para rocas blandas y suelos, o de diamante para rocas duras). Las baterías de rotación pueden ser tubo simple (el fluido de perforación lava toda la superficie del testigo; se produce el desmenuzamiento del suelo parcialmente cementado o de rocas blandas, por lo que su empleo sólo se recomienda cuando no se exige una alta recuperación), o tubo doble (el agua desciende por el contacto entre ambos tubos, siendo en la base del tubo, la unión con la corona, donde se puede producir el lavado del testigo; el tubo interior permanece prácticamente estático mientras gira el tubo exterior; se emplea cuando se requieren recuperaciones altas); se puede emplear un triple tubo para sondeos que no superan los 100 m. Sondeos con barrena helicoidal: Se emplea en suelos relativamente blandos y cohesivos, perforaciones a 15 m y verticales; son de bajo coste, facilidad de desplazamiento y rápida instalación. Presenta un error de ±0.50 m en la localización de los diferentes niveles atravesados. La muestra puede ser alterada, si las barrenas son de tipo normal, donde la muestra queda dentro de las paletas de la hélice; o inalteradas, si las barrenas son de tipo hueco, donde se extraen las varillas del interior de las barrenas, y a continuación se introducen por el interior de las mismas, tomamuestras. Sondeos a percusión: Se utilizan en suelos tanto granulares como cohesivos. Alcanza profundidades de 30 a 40 m, pero frecuentemente llega a 15 o 20 m. El sistema de perforación consiste en una línea de tubos de acero mediante el golpe de una maza de 120 kg que cae desde una altura de 1m; se cuentan sistemáticamente los golpes necesarios para la penetración de cada tramo de 20 cm, lo que permite conocer la compacidad del suelo atravesado. Las muestras se extraen mediante cucharas y trépanos. Perforaciones especiales: Se denominan perforación a destroza donde no se obtiene un testigo, sino un ripio o material pulverizado que sale por el emboquille del sondeo. Se emplean para perforar, bolos o bloques sueltos (trituración con tricono). Se entiende por perforación con rotopercusión, o perforación con trépano y martillo de fondo, la que se emplea para la detección de huecos y cavidades. Muestreo Hay ensayos de laboratorio que precisan que las muestras obtenidas no estén alteradas. Los sondeos por percusión (tubos Sheley en suelos cohesivos; pistón) y por rotación (tubo doble, triple y extractor partido), permiten extraer muestras inalteradas.
ENSAYOS IN SITU Ensayos de penetración: El más utilizado es el SPT; sólo se utiliza para suelos. - SPT: Número de golpes que en un martinete de 63 kg desde una altura de 0.76 m serían necesarios para hundir 30 cm una puntaza normalizada. Se usa en cualquier tipo de suelos excepto en gravas, ya que se número de golpes es muy elevado y se rechaza. Se obtienen testigos. - Borro: Se usa también para cimentaciones; no se obtienen testigos. Se anota en una gráfica la profundidad frente al número de golpes. Excavaciones: Las más utilizadas, son las calicatas, en las que se obtiene una muestra alterada o inalterada; permiten un acceso directo de la muestra; por debajo del nivel freático no se pueden hacer. Son fáciles y baratas.
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Ensayo de Placa de Carga: Sólo se usa en suelos; se usa mucho en cimentaciones. Consiste en aplicar con un camión una carga a una placa cuadrada o circular de 30 cm. Sobre el eje de un camión cargado por unas 10 toneladas de piedra, mido lo que la placa se hunde o deforma.
TALUDES EXCAVACIONES DE TALUDES Se trata de conseguir zonas planas para distintos tipos de explotaciones (construcción de carreteras, cimentaciones, …). Su finalidad es definir taludes estables, o bien, diseñar las medidas adecuadas para estabilizar el talud.
FACTORES INTRÍNSECOS Litología y estratigrafía. Estructura geológica (presencia de discontinuidades en el macizo rocoso; sólo afecta a rocas). Estado tensional. Suele adaptarse a la nueva geometría. Propiedades resistentes (cohesión y fricción). Propiedades hidrogeológicas (saber si un material es permeable, y saber si contiene agua, ya que ésta afecta a su resistencia). Cuando excavamos un talud en una zona con agua, el nivel freático tiende a adaptarse a la nueva geometría.
TIPOS DE ROTURAS Taludes en suelos Como los suelos son isótropos y homogéneos, no habrá una dirección de discontinuidad por la que tienda a romper. Romperá con rotura curva. Taludes en roca Pueden darse roturas planas (ha de existir un plano, y el ángulo del talud ha de ser mayor que el ángulo posible de deslizamiento), roturas en cuñas (han de existir dos familias de discontinuidades que se cortan; el ángulo del talud ha de ser mayor que el ángulo de la línea de intersección de la cuña, y a la vez, mayor que el ángulo de fricción de los dos planos que forman la cuña), roturas curvas (cuando tiende a romper por la matriz o el macizo está alterado, comportándose como un suelo), vuelcos de estratos (en taludes verticalizados con orientación contraria al buzamiento de los estratos), o roturas por pandeos (roturas en estratos muy verticalizados, que se rompen porque no soportan el peso). Se pueden producir roturas circulares profundas o de pie, dependiendo del ángulo del talud, de la presencia de agua o de la altura del talud. Una de las formas de estabilizar el talud, es drenando.
ESTABILIDAD/INESTABILIDAD DE LOS TALUDES Influye el peso (W), la cohesión (C), el ángulo de fricción (θ), las fuerzas debidas al agua (µ), las fuerzas externas estáticas (Fe) y las fuerzas externas dinámicas (Fd). La componente normal del peso, estabiliza, pero la componente tangencial desastibiliza.
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Fest Fe + W cos α ⋅ tgφ = Fdest Wsenα Si es menor de 1, el talud es inestable. Cuando hay presencia de agua, la expresión queda: Fest Fe + (W cos α − µ ) ⋅ tgφ = Fdest Wsenα
PRESAS Y EMBALSES INTRODUCCIÓN Las presas son un cierre de un valle en una zona estrecha para almacenar agua con distintos fines. Tiene como consecuencias, la carga por el peso de la presa, la carga hidrostática, filtraciones, reactivación de fallas, inestabilidad en las laderas, efectos medioambientales, … Las presas no deben construirse en materiales como yesos, evaporitas, … Tampoco en suelos arcillosos o con alto contenido orgánico. No debe haber riesgos geológicos, como zonas karstificadas, deslizamientos, terremotos o suelos licuefactibles.
TIPOS DE PRESAS Presas de hormigón: Se reconocen varios tipos, en función de su geometría. - Presas de gravedad: Resisten el empuje del agua por gravedad; tienen una base ancha y un techo estrecho; necesitan un buen terreno de cimentación (formaciones rocosas); se construyen con hormigón en masa. El agua ejerce una fuerza hidrostática perpendicular a su plano (cuya componente es horizontal), resultando así una componente inclinada; por eso la base se hace más ancha. - Presas de tipo arco-bóveda: Sección mucho más esbelta que las de gravedad. Resiste el empuje del agua empotrándose en los flancos del valle mediante los estribos laterales; necesitan un excelente terreno de cimentación (formaciones graníticas y cuarcíticas). Ej.: El Atazar. Presas de materiales sueltos: Formadas por elementos discontinuos obtenidos de las zonas más cercanas a la presa y que tengan cierta resistencia; Estos materiales se compactan mediante tongados que se expanden en la zona de la presa con una apisonadora; necesitan un terreno de cimentación aceptable, formaciones terciarias y cuaternarias, y no permeables. Según el material que las componen, se distinguen varios tipos: - Presas de escollera: Formadas por rocas. Los materiales pueden ser porosos, por lo que se da una presa zonada (núcleo de material impermeable, y a los lados, escolleras o terraplenes). Si ya tenemos un material impermeable, denominamos a la presa homogénea o toda uno. El terraplén será más pendiente cuando tengamos materiales más rocosos. - Presas de tierras: Formadas por materiales de constitución de suelos, arenas, arcillas, …
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ELEMENTOS DE UNA PRESA Aliviadero o vertedero: Estructuras de hormigón armado por donde sale el agua. Puede ser de materiales suelos (independiente de la presa; lateral), o de hormigón (aliviaderos en la parte superior, aunque también tiene desagües en la parte inferior). Coronación: Parte superior. Estribos: Parte de la presa que se apoya en las paredes del valle. Cerrada: Parte de la presa en la que se cimenta. Deben ser estables, impermeables, resistentes, no deformables. Vaso: Zona inundada. Espaldones: Laterales de la presa.
TÚNELES INTRODUCCIÓN Los túneles son estructuras caracterizadas por estar circundada por un medio geológico, lo que las hace más sensibles a la Geología (su excavación depende del medio). Son estructuras subterráneas que comunican dos puntos entre sí separadas entre sí por un accidente geológico, topográfico, … Se caracterizan por tener una sección circular, que ha ido evolucionando, para dar cada vez túneles más bajos y anchos, ya que la forma influye mucho en las tensiones. Se componen de clave (zona superior),m solera (parte inferior) y hastiales (laterales).
INFLUENCIAS GEOLÓGICAS Y GEOMÉTRICAS La estabilidad de los túneles, depende de la resistencia de la roca (depende de la cohesión, el ángulo de fricción y la fracturación), de la estructura geológica (orientación de las discontinuidades con respecto al eje del túnel; la más favorable es la perpendicular o transversal, nunca la paralela). Las tensiones naturales tratan de recuperar el equilibrio perdido al haber excavado el túnel; si son tensiones perpendiculares, los empujes en los hastiales son máximos; si las tensiones son paralelas al eje del túnel, el efecto es mínimo. Debemos tener en cuenta que el agua disminuye la resistencia del material.
ARRANQUE O EXCAVABILIDAD Es la facilidad o dificultad para excavar el túnel; depende de la resistencia y la dureza. Así, en rocas duras, se realizan voladuras, y en rocas blandas, tuneladoras, rozadoras, … Debemos tener en cuenta, también el grado de fracturación, la presencia de gases, laderas con deslizamientos, modificaciones producidas en acuíferos, …
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