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DISEÑO Y CÁLCULO DE ESTRUCTURAS DE CIMENTACIÓN Y CONTENCIÓN MÓDULO 10. MECÁNICA DE ROCAS TEMA 15. MECÁNICA DE ROCAS

AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 1 de 16

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA CIVIL

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA CIVIL UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ÍNDICE

Página

1. INTRODUCCIÓN 2

2. ESTUDIO DE LA MATRIZ ROCOSA 4

2.1. DEFINICIÓN 4

2.2. CLASIFICACIÓN 4

2.2.1. Rocas Ígneas 4

2.2.2. Rocas Sedimentarias 5

2.2.3. Rocas Metamórficas 6

2.3. PROPIEDADES DE LAS ROCAS 6

2.3.1. Porosidad 6

2.3.2. Índice de absorción 6

2.3.3. Densidad 6

2.3.4. Dureza 7

2.3.5. Tamaño de grano 7

2.3.6. Resistencia a compresión simple 7

2.4. ALTERACIÓN Y METEORIZACIÓN DE LAS ROCAS 7

2.4.1. Procesos de alteración física 8

2.4.2. Procesos de alteración química 8

2.4.3. Escala de meteorización de la ISRM 8

3. ESTUDIO DE LAS DISCONTINUIDADES 9

3.1. CLASIFICACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES 9

3.2. FAMILIAS DE JUNTAS 12

3.3. PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES 12

3.3.1. Continuidad 12

3.3.2. Espaciamiento 12

3.3.3. Rugosidad 13

3.3.4. Apertura de la junta 13

3.3.5. Rellenos de la junta 13

3.4. GRADO DE FRACTURACIÓN (RQD) 14

4. CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA -RMR- 15






1. INTRODUCCIÓN

La mecánica del suelo comenzó a entenderse como tal a raíz de Terzaghi, pero no

fue así con la mecánica de rocas, que empieza es estudiarse independientemente en

los años 50-60.

En el 1966 se crea la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM).

El estudio de la mecánica de rocas se intensifica a partir de las catástrofes de las

presas de Malpasset (Francia) y Vajont (Italia), y la necesidad de aumentar el

conocimiento en esta materia.

Aunque en un principio se estudiaba los macizos rocosos con la teoría del suelo,

finalmente se diferencia el estudio de suelo y rocas.

La mecánica del suelo estudia el comportamiento de un sólido (saturado) donde hay

una presión total descompuesta en intersticial y efectiva.

La mecánica de rocas, sin embargo, estudia el comportamiento de un sólido que ya

está roto, como un macizo rocoso (juntas).

El agua generalmente no condiciona el comportamiento, ya que las juntas suelen ser

bastante permeables.

El estudio de un suelo rocoso dependerá de dos aspectos:

Estudio de la matriz rocosa (geología)

Estudio del conjunto de discontinuidades (juntas)

En el estudio de las rocas se han hecho distintas clasificaciones geomecánicas,

siendo las dos más importantes:

RMR (Rock Mass Rating)

Q (Quality): se usa solo para comprobar la validez del RMR






En un proyecto de una obra en un macizo rocoso, se debe proceder de la siguiente

forma:

Características geotécnicas del emplazamiento:

Reconocimiento geotécnico detallado (más que en suelos)

Ejecución de sondeos y ensayos de campo

Ensayos de laboratorio

Contraste de datos

Realización de un modelo geotécnico que incluya los datos obtenidos y

anticipe los posibles problemas y las causas.

Proyecto:

Cálculo de la estructura que se va a situar en el terreno.

Cálculo de las tensiones y deformaciones en el terreno y en la

estructura.

Control en las distintas etapas de obra:

Control del terreno durante la construcción, midiendo el

comportamiento del macizo durante el proceso de carga o de descarga.

Control del terreno después de la construcción.

Las aplicaciones de la mecánica de rocas serán:

Aplicaciones a nivel de superficie

Cimentaciones superficiales

Cimentaciones profundas

Estabilidad de taludes

Cimentaciones en presas

Aplicaciones en profundidad:

Túneles

Cavernas

Aplicaciones en minería

En superficie

En profundidad

Aplicaciones en la extracción de petróleo y gas

Estudios de sismicidad






2. ESTUDIO DE LA MATRIZ ROCOSA

2.1. DEFINICIÓN

Material mineralógico duro y compacto que forma parte de la masa terrestre (duro y

compacto, a diferencia de los suelos).

Suelo: resistencia a compresión simple <0.6MPa

Roca: resistencia a compresión simple >2MPa

Intermedios: resistencia a compresión simple 0.6 - 2 MPa.

Los minerales que forman la roca podrán ser:

Esenciales o formadores de la roca.

Accesorios o añadidos, en pequeña proporción

2.2. CLASIFICACIÓN

2.2.1. Rocas ígneas o magmáticas

Se forman por la solidificación de un magma que puede contener volátiles y

gases.

Según el proceso de enfriamiento pueden ser:

Plutónicas o intrusivas: enfriamiento lento (en profundidad)

o Granito

Volcánicas o extrusivas: enfriamiento rápido (en superficie)






o Basalto

Se clasifican además por su contenido en sílice SiO2, y por lo tanto

su carácter básico (+SiO2) o ácido (-SiO2):

Ultrabásicas (ultramáficas)

Básicas (máficas)

Intermedias

Ácidas (félsicas), son las más abundantes en superficie.

2.2.2. Rocas sedimentarias

Se forman por la meteorización de otras rocas que se van alterando o

destruyendo.

Dependiendo donde se depositan los sedimentos:

Depósitos residuales (se depositan in situ)

Son transportados por ríos, hielo, viento o mar.

A medida que se van depositando los sedimentos superiores compactan a

los inferiores, y estos se van compactando y en ocasiones cementando. Es

un proceso conocido como diagénesis.

El proceso de formación de los estratos puede ser variable, teniendo éstos

diferentes naturaleza y espesores en función del tipo de sedimentos que

recibe.

Se pueden encontrar elementos fósiles.

o Calizas, margas o areniscas.






2.2.3. Rocas metamórficas

Cualquier roca producida por la evolución de otra anterior sometida a unas

condiciones de calor, de frio o de presión muy diferentes a las anteriores.

Se clasifican en zonas según el grado de metamorfismo alzancado.

o Pizarras, mármoles, cuarcitas y gneis.

2.3. PROPIEDADES DE LAS ROCAS

Las propiedades físicas y químicas de la roca varían en función del origen y de la

composición de las rocas.

Algunas de estas propiedades se pueden determinar mediante ensayos simples.

2.3.1. Porosidad

Es el porcentaje de huecos en la roca.

La porosidad en rocas suele ser más baja que en suelos. Y una porosidad

baja hace que algunos de los huecos de la roca sean inaccesibles.

Lo que nos lleva al concepto de porosidad eficaz, que es el porcentaje de

huecos accesibles.

Generalmente:

Rocas ígneas: porosidad baja

Rocas sedimentarias: porosidad alta

Rocas metamórficas: porosidad muy variable

2.3.2. Índice de absorción

Es un concepto que en mecánica de rocas se usa mucho.

Es la cantidad de agua que puede absorber una roca, es decir, los huecos

accesibles.

Es un ensayo más fácil de realizar que el de la porosidad.

2.3.3. Densidad

Dependerá del grado de saturación.

Diferenciaremos entre densidad saturada y seca.






2.3.4. Dureza

La dureza de la roca define su resistencia a la abrasión.

Se mide por la escala de Mohs.

La uña (dureza 2-3) raya el yeso.

La moneda (dureza 3-4) raya la caliza.

La navaja (dureza 5) raya la caliza.

La sílice raya la navaja.

La dureza es muy importante en el trabajo de las rocas, ya que nos

cuantifica cual será el desgaste de las herramientas de trabajo.

Existen muchos ensayos para la obtención de la intensidad.

2.3.5. Tamaño de grano

Condiciona la dificultad ante la perforación o excavación.

Generalmente es una propiedad fácil de medir, aunque en algunos casos el

tamaño de los granos puede no ser uniforme.

2.3.6. Resistencia a compresión simple

Es una propiedad muy característica de las rocas.

Depende de varios factores:

Forma y tamaño de la probeta en el ensayo.

Velocidad de la aplicación de cargo en el ensayo.

Estado de saturación (muestra saturada resiste menos que la seca)

Tamaño del grano (roca de grano fino es más resistente)

Contenido de sílice y/o de carbonatos: resistente cuanto mayor es.

Porosidad/índice de absorción: resistente cuanto menor es.

2.4. ALTERACIÓN Y METEORIZACIÓN DE LAS ROCAS

La alteración de una roca puede ser debida a procesos físicos y/o químicos.

Es importante saber distinguir entre los siguientes conceptos:

Meteorización: cualquier alteración de la roca debida a la acción del clima, en

un nivel superficial.

Roca sana: no alterada.

Roca descolorida: cambia el color original de la roca.

Roca descompuesta: roca meteorizada con pérdida de cohesión, aunque la

fábrica del material está intacta.

Roca desintegrada: roca que se ha meteorizado con pérdida de cohesión,

hasta llegar a ser suelo.






2.4.1. Procesos de alteración física

Son muy frecuentes en climas secos, independientemente que sean fríos o

cálidos.

Erosión por transporte: los trozos de roca van redondeándose y

fragmentándose.

por gravedad: fragmentos angulosos

fluviales: fragmentos menores y redondeados

oleaje: fragmentos mucho menores

Erosión por golpeo

Erosión por ciclos hielo/deshielo: de importancia en climas muy fríos

y de alta montaña.

2.4.2. Procesos de alteración química

Procesos bastante más frecuentes

Hidrólisis de los materiales silicatados

Disolución de los materiales carbonatados por ataque de aguas

ácidas que los transforman en bicarbonatados.

Hinchamiento o expansión de los componentes arcillosos de rocas

metamórficas o sedimentarias en rocas en contacto con el agua.

2.4.3. Escala de meteorización de la ISRM

Es una tabla confeccionada para granito y rocas similares, pero para rocas

muy distintas es de difícil aplicación.

Pizarras y esquistos: no existen los grados intermedios, ya que la

meteorización es más rápida.

Calizas: no se meteoriza sino que se disuelve.






3. ESTUDIO DE LAS DISCONTINUIDADES

El macizo rocoso está siempre roto por juntas.

La palabra discontinuidad describe perfectamente lo que es, pero no es la palabra

usada.

La palabra más utilizada es juntas, pero también se pueden llamar diaclasas o

superficies de compartimentación.

3.1. CLASIFICACIÓN DE DISCONTINUIDADES

Según la clase geológica:

Rocas sedimentarias Planos de estratificación






Rocas ígneas plutónicas:

Rocas ígneas volcánicas:

Rocas metamórficas:

Otros tipos de discontinuidades:

Estilolíticas: aparecen en calizas, son perpendiculares a la tensión mayor. Son

irregulares y están cerradas (no dan grandes problemas)

No son importantes por sí mismas, pero son útiles, porque si se han producido

significa que han sido sometidas a gran tensión, tensión que si ha

desaparecido muestra que se ha producido una gran erosión.






Kink bands: aparecen en macizos de pizarra. Son específicas de deformación.

No dan grandes problemas.

Fallas: grandes roturas que separan dominios rocosos diferentes.

Son generalmente de origen tectónico.

Suelen estar acompañados por roturas satélites paralelas a ellas y cercanas.

Sus efectos son muy importantes en las obras públicas.






3.2. FAMILIAS DE JUNTAS

a) Rocas plutónicas (granito)

b) Rocas sedimentarias en macizos fracturados pero no plegados (calizas)

c) Rocas metamórficas con una familia preferente de planos (esquistos)

d) Rocas volcánicas con juntas hexagonales por enfriamiento (basalto)

3.3. PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES

3.3.1. Continuidad

Las juntas podrán ser:

Persistentes (continuas): peligrosas, pueden provocar

desplazamientos.

No persistentes (discontinuas): no tan peligrosas

Subpersistentes (intermedia): pueden provocar roturas. Aunque no

son continuas podrían unirse por algún sobreesfuerzo.

3.3.2. Espaciamiento

Es la separación entre juntas de una misma familia. Esta separación puede

ser muy variable.






3.3.3. Rugosidad

Tiene una relación directa con el rozamiento (o resistencia a esfuerzo

cortante).

La relación no es constante, dependerá de la escala de medida y de la

presión sobre el plano de la junta.

𝑡 𝑔⁄ = 𝑡𝑔(∅𝑏 + 𝑖) Siendo:

i: ángulo de rugosidad que depende de la escala

Φb: ángulo de rozamiento básico

A pequeña escala, la rugosidad aumenta con el ángulo de rozamiento.

A gran escala, la rugosidad es prácticamente nula.

3.3.4. Apertura de la junta

La junta puede abrirse con las deformaciones generales de la masa rocosa.

Pudiendo ser:

Abierta (e>0.1mm) son inyectables con lechada de cemento.

Semiabierta (e<0.2mm) no son inyectables con lechada de

cemento, pero si utilizando una resina.

Cerradas (e≈0mm)

Tanto en las juntas abiertas como en las semiabiertas pueden desarrollarse

presiones intersticiales.

3.3.5. Rellenos de la junta

Las juntas abiertas y semiabiertas pueden tener rellenos, que según su

procedencia serán:

Alóctonos: materiales arrastrados por el agua y depositados en la

junta.

Autóctonos: materiales de la descomposición de los bordes de la

propia junta.

Estos rellenos pueden modificar las propiedades de las juntas:

Disminuyendo el ángulo de rozamiento.

Disminuyendo su permeabilidad.






3.4. GRADO DE FRACTURACIÓN (RQD)

Se utiliza para medir el grado de fracturación global de una masa rocosa.

Es el porcentaje de testigos enteros de más de 10cm de longitud, sin desquebrajarse,

en el registro de un sondeo, medidos en una longitud tipo de un metro de sondeo.

Dependerá de:

Diámetro del sondeo

Según orientación del sondeo

La posición relativa de las juntas






4. CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA RMR

La clasificación se hace según la suma de los valores correspondientes a los

siguientes parámetros:

Resistencia de la roca intacta a compresión simple (0-15)

RQD. Rock Quality Designation (0-20)

Espaciado de las juntas (0-20)

Condición y estado de las juntas (0-30)

Presencia de agua (0-15)






CLASIFICACIÓN

Parámetros deducidos desde la clasificación

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