Miguel Cano González

MECÀNICA DEL SÒL I DE LES ROQUES

Tema 11 – Descripció del massís rocós

Dept. d'Enginyeria Civil - Àrea d'Enginyeria del Terreny

EL MASSÍS ROCÓSIntroducció

• Mecànica de roques: Part de la Geotècnia que estudia el comportament de les roques i els massissos rocosos en relació amb les obres civils que es construeixen sobre ells o al seu interior.

• És molt jove: compta amb uns 50 anys d'antiguitat(1r Congrés de Mecànica de les Roques).

EL MASSÍS ROCÓSConceptes• Roca: Agregat natural de partícules o cristalls amb unions

cohesives permanents.

• Matriu rocosa: Material rocós exempt de discontinuïtats (o bloc de roca intacta situada o limitada per discontinuïtats).

• Discontinuïtat: qualsevol plànol d'origen mecànic o sedimentari que divideix la matriu rocosa en blocs individualitzats.

• Massís Rocós = Matriu rocosa + Discontinuïtats

Introducció

• La caracterització de massissos rocosos té per objecte el coneixement de les propietats dels materials rocosos.

• Es realitzen in situ.• Els treballs de camp en afloraments permeten predir el

comportament geotècnic dels massissos rocosos.

INTRODUCCIÓ

INTRODUCCIÓ

INTRODUCCIÓ

CARACTERITZACIÓ: Introducció

Descripció i zonificació d'afloraments

Les fases de descripció de massissos rocosos són:

1. Identificació de l'aflorament: localització, situació, tipus, etc.

2. Fotografies i croquis3. Descripció geològica: litologia, zones alterades,

presència d'aigua, etc.4. Divisió en zones i descripció de cada zona.5. Identificació de zones singulars.

CARACTERITZACIÓ: Introducció

Descripció i zonificació d'afloraments:

La zonificació de massissos rocosos facilita la posterior recollida de dades de la matriu rocosa i de les discontinuïtats, i són utilitzades per aplicar les classificacions geomecàniques.

CARACTERITZACIÓ MASSÍS ROCÓS• Caracterització de la roca matriu:

– Litologia (composició mineralògica)– Forma i grandària dels grans– Color– Duresa (resistència al tall, compressió)

• Caracterització de les discontinuïtats:– Orientació– Espaiat– Continuïtat o persistència– Rugositat– Obertura– Existència i naturalesa dels rebliments– Presència d'aigua (filtracions)– (Resistència de les parets)

CARACTERITZACIÓ: Introducció

Zona amb disjunció columnar

Divisió de l'aflorament en zones homogènies

Zona més fracturada

Sectorització del front d'una pedrera

DESCRIPCIÓ

Distància (m) Tipus

Direcció (NxxxE) Cabussament Família Continuïtat Rugositat

Obertura, mm(Rebliment) Comentaris

0.12 Diàclasi 225 25 1 Mitjana Escalonada, long. ona d'1 m,

amplitud de 0.2 m

0.1 (neta) Sense filtracions

• Un escleròmetre o martell de Schmidt• Una regla metàl·lica d'1 m de longitud• Una cinta mètrica de 20 m de longitud• Un flexòmetre convencional• Brúixola i martell de geòleg• Lupa de x15 augments• Bloc per a prendre anotacions• Bosses per a mostres amb etiquetes identificatives• Martell de geòleg • PDA (Pocket Digital Asistant)• GPS (Global Positioning System)

EQUIP

PROPIETATS DE LA MATRIU ROCOSAObjectiu: Caracteritzar la matriu rocosa

– Determinar les seues propietats geomecàniques davant de l'acció de forces externes o internes

– Establir-ne l’aptitud per al seu posterior ús com a material de construcció

Propietats:

– Identificació i descripció– Propietats índex (físiques): densitat i porositat– Meteorització– Relacions esforç - deformació– Deformació i compressibilitat– Resistència al tall

PROPIETATS DE LA MATRIU ROCOSAIdentificació i descripció

• Composició mineralògica• Forma i grandària dels grans• Color i transparència• Duresa

PROPIETATS DE LA MATRIU ROCOSAIdentificació i descripció

• Composició mineralògica – Reconeixement visual amb lupa– Anàlisi de làmina prima amb microscopi– Difracció de RAJOS X, etc.

Aspecte al microscopi de la làmina prima Espectre de difracció de RX

PROPIETATS DE LA MATRIU ROCOSAIdentificació i descripció• Forma i grandària dels grans

Grandària de gra Apreciació Denominació> 5mm A simple vista Gra gruixut

1 -5 mm Id. amb lupa Gra mitjà< 1 mm Id. amb microscopi Gra fi

Grandària de gra

Denominació Apreciació Correspondència amb els sòls

> 60 mm Gra molt gruixut

Visibles sense ajuda del microscopi

Cudols i blocs

60 - 2 mm Gra gruixut Grava

2 mm – 60 μm Gra mitjà Arena

60 μm – 2 μm Gra fi No visibles sense microscopi

Llim

< 2 μm Gra molt fi Argila

PROPIETATS DE LA MATRIU ROCOSAIdentificació i descripció

• Color i transparència

COLOR BÀSIC INTENSITAT VALOR

RosaRoigGrocMarróVerd olivaVerdBlauBlancGrisNegre

RosatRogencGrogósCastanyVerdósBlavósgrisenc

ClarObscur

PROPIETATS DE LA MATRIU ROCOSAIdentificació i descripció

• DuresaMINERAL DURESA

(Mohs)Element comú de comparació

Talc 1Guix 2 Ungla (2-3)Calcita 3Fluorita 4 Moneda (3-4)Apatita 5Ortosa 6 Navalla (6)Quars 7Topazi 8Corindó 9Diamant 10

PROPIETATS DE LA MATRIU ROCOSAPropietats índex

• Densitat • Porositat

PROPIETATS DE LA MATRIU ROCOSAPropietats índex• Densitat

GranitDioritaSienitaGabre

Basalt

MicasquistAmfibolitaMarbre

QuarsCalcàriaAlgepsSalPissarra

PLUTÒNIQUES

VOLCÀNIQUES

METAMÒRFIQUES

SEDIMENTÀRIES

PROPIETATS DE LA MATRIU ROCOSAPropietats índex

• Porositat (n)

n

Granit

EsquistosPissarresLutites

Calcària

Gres

Roques bàsiquesSaAlteratMolt alteratDescompost

CompacteMitjàFluixMolt compactesCompactesMitjansFluixos

MarbreCompactaMitjana- FluixaTova/escull/creta

METEORITZACIÓMeteorització• Alteració dels materials en la superfície terrestre• Resultat:

– Formació de sòls: residuals o transportats– Roques alterades: comportament mixt entre roca fresca i

sòl• Efectes:

– Decoloració– Obertura i progrés de discontinuïtats– Canvis de volum– Formació de nous minerals

• Es refereix a l'estat dels afloraments rocosos (p.ex. de les parets de les discontinuïtats)

• Es recomana emprar la terminologia suggerida per la ISRM

METEORITZACIÓ

Categoria Terme Descripció

I Sana Sense signes visibles de meteorització. Possible decoloració de zones

II Feblement meteoritzada Decoloració generalitzada

III Moderadament meteoritzada

Menys del 50% del material està descompost o reduït a la condició de sòl

IV Molt meteoritzada Semblant a l’anterior però amb més del 50% del material descompost

V Completament meteoritzada

Tota la roca està descomposta

METEORITZACIÓRoca fresca (granit) – Tipus I

Progrés de la meteorització afavor de les discontinuïtats

Pàtines d'oxidació en superfícies de discontinuïtats – Tipus II

METEORITZACIÓ

METEORITZACIÓ

Calcària moderadament meteoritzada – Tipus III

METEORITZACIÓ

Quarsites molt meteoritzades – Tipus IV

METEORITZACIÓRoca descomposta (granit sauló) – Tipus V

PROPIETATS DE LA MATRIU ROCOSAResistència• Resistència a compressió simple

Aplicació Mètode Resist. comp. simple s’obté per:

Camp Índexs manuals(organolèptics)

Estimació subjectiva

Martell d’Schmidt Estimació objectivaLaboratori Point Load test Correlació

BrasilerCompressió uniaxial

Mesura directa

TIPUS I ORIGEN DISCONTINUÏTATS• Discontinuïtat: Qualsevol plànol que implica una

pèrdua de continuïtat d'una massa rocosa, en la qual la resistència a la tracció és nul·la o molt baixa en comparació de la de la matriu rocosa que constitueix el massís.

• Origen:– Ruptura en compressió/tensió o en cisalla: falles,

diàclasis, etc.– Plànols d'estratificació– Plànols de creixement de minerals: esquistositat

TIPUS I ORIGEN DISCONTINUÏTATS

Discontinuïtats paral·leles a una superfície lliure (escarpament)

TIPUS I ORIGEN DISCONTINUÏTATS

Jocs sistemàtics de diàclasis

TIPUS I ORIGEN DISCONTINUÏTATSDiàclasis per contracció tèrmica

Descompressió de llenques (lloses) en granits. Yosemite National Park (USA)Brian Collins, US Geological Survey. Vertical Geology 14, Lausanne

TIPUS I ORIGEN DISCONTINUÏTATSDiàclasis per descompressió

Rosa de basalt (Teide)Calçada dels gegants

TIPUS I ORIGEN DISCONTINUÏTATS

Discontinuïtats relacionades amb plecs

TIPUS I ORIGEN DISCONTINUÏTATS

Discontinuïtats de dos tipus: estratificació i fallesSerra Grossa, Alacant

Discontinuïtat per fallament

TIPUS I ORIGEN DISCONTINUÏTATS

Sª Grossa, Alacant

Influència de les discontinuïtats

Les discontinuïtats condicionen el comportament geomecànic del massís rocós quan es construeixen sobre aquest obres civils (preses, túnels, talussos, etc.)

Influència de l’orientació de les discontinuïtats Respecte a les obres d’enginyeria

TIPUS I ORIGEN DISCONTINUÏTATS

Sª Grossa, Alacant

Influència de les discontinuïtats

TIPUS I ORIGEN DISCONTINUÏTATSInfluència de les discontinuïtats

TIPUS I ORIGEN DISCONTINUÏTATSInfluència de les discontinuïtats

DESCRIPCIÓ DE DISCONTINUÏTATSElements a caracteritzar:

• Orientació

• Espaiat

• Continuïtat

• Rugositat

• Obertura

• Rebliment

• Flux d'aigua i filtracions

DESCRIPCIÓ: Orientació

•Cabussament: Angle que forma la discontinuïtat amb el plànol horitzontal.

•Direcció: Angle que forma l'horitzontal de plànol de la discontinuïtat amb el nord geogràfic.

DESCRIPCIÓ: Orientació

L'orientació del plànol es pot definir de dues formes diferents:

- Direcció i cabussament: N30ºE/45ºSE (o 30E/45SE)

- Vector de cabussament del plànol: N120º/45º (o 120/45)

DESCRIPCIÓ: OrientacióProjecció estereogràfica – Representació d'una recta

DESCRIPCIÓ: OrientacióProjecció estereogràfica – representació

d'un plànol

DESCRIPCIÓ: OrientacióAnàlisi de famílies de discontinuïtats. Projecció estereogràfica

Cercle màximPolo

Discontinuïtat representada

N30ºE/45ºSE o

120/45

Vector de cabussament

Representació d'una discontinuïtat

DESCRIPCIÓ: OrientacióAnàlisi de famílies de discontinuïtats. Projecció estereogràfica

Cercle màximPolo

Discontinuïtat representada

N120ºE/90º o

30/90

Vector de

cabussament

Representació d'una discontinuïtat

DISC. VERTICAL DISC. HORITZONTALCercle màximPolo

Discontinuïtat representada

N000ºE/00º o

000/00

DESCRIPCIÓ: OrientacióAnàlisi de famílies de discontinuïtats. Projecció estereogràfica Representació de famílies de discontinuïtats

DESCRIPCIÓ: OrientacióAnàlisi de famílies de discontinuïtats. Projecció estereogràfica Representació de famílies de discontinuïtats

DESCRIPCIÓ: Espaiat• És una mesura del grau de fracturació del massís:

determina la grandària dels blocs en què es divideix el massís

• Es defineix com la distància entre dues discontinuïtats:– Espaiat total: Espaiat entre dues discontinuïtats

consecutives– Espaiat de família: Espaiat entre dues discontinuïtats

consecutives que pertanyen a la mateixa família, mesurat segons una direcció concreta de l'espai (no necessàriament perpendicular als plànols)

– Espaiat de família normal: Com en el punt anterior però mesurant perpendicularment als plànols de discontinuïtat

DESCRIPCIÓ: Espaiat

Espaiat de família normal

Espaiat total

DESCRIPCIÓ: Espaiat

• Un aspecte important que cal tenir en compte és la relació geomètrica entre l'orientació del talús on es prenen les dades i l'orientació de les discontinuïtats

S: Espaiat vertader entre discontinuïtats

S = Sapp x sin

S: Espaiat realSapp: Espaiat mesurat

DESCRIPCIÓ: Espaiat• Determinació de valors representatius: Siga un aflorament on s'han mesurat N’ discontinuïtats segons una línia vertical de longitud L1 metres i les discontinuïtats cabussen º

'/cos1 NLs

CARACTERITZACIÓ: Discontinuïtats

• Espaiat mitjà i densitat de diàclasi

XLN 1

DESCRIPCIÓ: Espaiat

• Classificació de l’espaiat

Descripció Espaiat (cm)Extremadament juntes < 2Molt juntes 2 – 6Juntes 6 – 20Moderadament juntes 20 – 60Separades 60 – 200Molt separades 200 – 600Extremadament separades > 600

DESCRIPCIÓ: EspaiatEspaiat molt junt

DESCRIPCIÓ: EspaiatEspaiat moderadament junt

Espaiat mesurat: 26-57 cm

DESCRIPCIÓ: EspaiatEspaiat extremadament junt

Espaiat junt, discontinuïtatondades i llises

CARACTERITZACIÓ: Discontinuïtats• Grandària del bloc: factors condicionants

– Nombre de jocs de discontinuïtats– Espaiat de les discontinuïtats

Tipus de massís Nombre famílies

I Massiu, discont. ocasionals

II Una família

III Una família i altres d’ocasionals

IV Dues famílies

V Dues famílies i altres d’ocasionals

VI Tres famílies

VII Tres famílies i altres d’ocasionals

VIII Quatre o més famílies

IX Bretxificat

CARACTERITZACIÓ: DiscontinuïtatsTres famíliesBlocs molt xicotets

Massís bretxificat

– Caracterització de la grandària de bloc• Índex de grandària de bloc IB

• Densitat volum. de discontinuïtats, JV

• Densitat lineal de discontinuïtats,

CARACTERITZACIÓ: Discontinuïtats

Descripció JV

Blocs molt grans < 1

Blocs grans 1 – 3

Grandària mitjana 3 – 10

Petits 10 – 30

Molt petits > 30

nsssI nB /21

n

iV sm

ïtatsdiscontinunreJ1

3

1.

)(1.

mïtatsdiscontinumitjàespaiatmesuradelongitutïtatsdiscontinunre

– Caracterització del grau de fracturació del massís: l'índex RQD

• Càlcul:– Testimonis de sondejos– Densitat vol. de discontinuïtats, JV

– Densitat lineal,

CARACTERITZACIÓ: Discontinuïtats

RQD % Qualitat

< 25 Molt pobra

25 – 50 Pobra

50 – 75 Acceptable

75 – 90 Bona

90 – 100 Molt bona

VJRQD 3.3115

)11.0(100 1.0 eRQD

DESCRIPCIÓ: Persistència o continuïtat

• Mesura de l'extensió o longitud superficial observada, tant en el sentit de la direcció com del cabussament

• Juntament amb l'espaiat defineixen la grandària dels blocs que poden individualitzar-se dins del massís

a) Famílies contínuesb) Una família contínua i

una altra de discontínuac) Baixa continuïtatd) Molt baixa continuïtat

DESCRIPCIÓ: Persistència o continuïtat

• Descripció de la persistència

Descripció Longitud (m)

Molt baixa < 1Baixa 1 – 3Mitjana 3 – 10Alta continuïtat 10 – 20Molt alta > 20

DESCRIPCIÓ: Persistència o continuïtatMesura de la persistència –Mètode de Pahl:– Es realitzen mesures en una àrea de

dimensions L1 x L2 m– Es determina el nombre N de

discontinuïtats de cabussament – Es discrimina entre aquelles que estan

contingudes (Nc – tots dos extrems visibles dins de l'àrea) i aquelles que travessen l'àrea (Nt – llargues i no tenen extrems visibles en l'àrea)

– La persistència (L) es calcula com:

mmHL

11'

1

sincos'

21

21

NNNm

LLLLH

ct

DESCRIPCIÓ: EspaiatPersistència molt alta

Persistència > 20 m

DESCRIPCIÓ: Rugositat• És una component fonamental de la resistència al

tall de la discontinuïtat

• Hi ha dues escales de descripció de la rugositat:– Mitjana i gran escala (mètrica a decimètrica)

• Descriu l'ondulació de les parets de la discontinuïtat• Poc probable que siguen cisallades durant l'aplicació d'esforços

tallants

– Petita escala (centimètrica a decimètrica)• Descriu la rugositat del plànol• Per la seua reduïda grandària poden ser cisallades quan se’ls

apliquen esforços tallants

DESCRIPCIÓ: Obertura• Distància que separa les parets adjacents d'una

discontinuïtat quan no hi ha rebliment. Es mesura perpendicularment a aquestes parets

Descripció Obertura (mm)Molt tancada < 0.1Tancada 0.1 – 0.25Parcialment oberta 0.25 – 0.5Oberta 0.5 – 2.5Moderadament ampla 2.5 – 10AmplaMolt amplaExtremadament amplaCavernosa

> 1010 – 100

100 – 1000> 1000

Discontinuïtat tancadaobertura

Discontinuïtat obertaample

Discontinuïtat reblida

DESCRIPCIÓ: Obertura

Cavernosa

DESCRIPCIÓ: Rebliment• Material que separa les parets d'una discontinuïtat i que, generalment,

és més feble que aquesta roca

• Sol incloure una barreja de fragments de la mateixa roca que constitueix les parets, restes d'argila, matèria orgànica, cristal·litzacions, etc.

• Per a descriure’l cal caracteritzar:– Naturalesa i espessor del rebliment– Resistència al tall (qualitativament: es comprimeix i traspua entre els

dits, es reemmotla amb els dits, s'esmicola, etc.)– Humitat i permeabilitat (qualitativament)

• En general:– Si el farciment és més compressible que la roca, juga un paper

important en el comportament mecànic del massís– Si l'espessor és major del 25 – 50% de la grandària de les asprors, hi

ha poca probabilitat de contacte roca – roca i seran les propietats del rebliment les que determinen el comportament de la discontinuïtat

DESCRIPCIÓ: FiltracionsDiscontinuïtats sense rebliment:– Plana i tancada, seca i no sembla possible la circulació d'aigua– Seca i sense evidència de flux– Seca però amb evidència de circulació d'aigua– Humida però sense aigua lliure– Humida, degoteig ocasional, però sense flux continu– Flux continu (cal estimar-ne el cabal)

Amb rebliment:– Rebliment consolidat i sec. El flux no és possible– Rebliment humit sense aigua lliure– Rebliment mullat amb degoteig ocasional– Rebliment que mostra senyals d’arrossegaments, flux d'aigua continu (l/min)– Rebliment localment arrossegat. Flux considerable segons canals preferents– Rebliment completament arrossegat. Pressions d'aigua elevades