Manual Ingeniería Geológica

582

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Ingeniería Geologica

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  • Instituto Tecnolgico

    GeoMinero de Espaa

    MANUAL

    DE

    INGENIERIA GEOLOGICA

    100

    4MINISTERIO DE INDUSTRIAY ENERGIA

  • MANUAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

    Direccin del Trabajo : F.J. Ayala Carcedo (ITGE). Dr. Ingeniero de Minas

    Editores : J.M8 Rodrguez Ortiz. Dr. Ingeniero de Caminos. Catedrtico de la U.P.M.

    L. Gonzlez de Vallejo. Dr. Ciencias Geolgicas. Catedrtico de la U.C.M.

    Autores de los diferentes captulos:

    Cap.1 Introduccin J.A. Jimenez Salas Dr. Ingeniero de Caminos

    Cap.2 Introduccin a la mecnica de

    rocas Carlos Oteo Mazo Dr. Ingeniero de Caminos

    Cap.3 Introduccin a la mecnica del

    suelo J.M. Rodrguez Ortiz Dr. Ingeniero de Caminos

    Cap.4 Introduccin a la Hidrogeologa P.E. Martnez Alfaro Dr. en Ciencias Geolgicas

    Cap.5 Introduccin a la Geomorfologa J. de Pedraza Gilsana Dr. en Ciencias Geolgicas

    Cap.6 Reconocimiento del terreno F.Lpez Glez.Mesones Dr. Ingeniero de Minas

    Cap.7 Estabilidad de taludes en cortas

    mineras Carlos Oteo Mazo Dr. Ingeniero de Caminos

    L. Glez. de Vallejo Dr. en Ciencias Geolgicas

    Cap.8 Ingeniera , Geologa y Minera

    subterrnea R. Lain Huerta Dr. Ingeniero de Minas

    Cap.9 Ingeniera geolgica en tneles L. Glez. de Vallejo Dr. en Ciencias Geolgicas

    Cap.10 Ingeniera geolgica y espacio

    subterrneoJ.M.

    Rodrguez Ortiz Dr. Ingeniero de Caminos

    Cap. 11 Ingeniera geolgica en vas de

    comunicacinJ.M.

    Rodrguez Ortiz Dr. Ingeniero de Caminos

    Cap.12 Obras hidrulicas F.Javier Andreu Posse Ingeniero de Caminos

    Cap.13 Ingeniera aplicada a las obras

    martimas y ordenacin del litoral Carlos Prieto Alcolea Ldo. en Ciencias Geolgicas

    Cap.14 CimentacionesJ.M.

    Rodrguez Ortiz Dr. Ingeniero de Caminos

    Cap.15 Ingeniera Geolgica y proteccin

    del medio ambiente J.L. Sanz Contreras Dr. Ingeniero de Minas

    J.M". Rodrguez Ortiz Dr. Ingeniero de Caminos

    Cap.16 -1 Movimientos del terreno J.Ma Rodrguez Ortiz Dr. Ingeniero de Caminos

    Cap. 16 - II Riesgo sismotectnico L. Glez. de Vallejo Dr. en Ciencias Geolgicas

    Cap.16 -111 Riesgo volcnico V. Araa Saavedra Dr. en Ciencias Geolgicas

    Cap. 16-1V Inundaciones Carlos Prieto Alcolea Ldo. en Ciencias Geolgicas

    Cap.16-V Riesgos asociados al karst J.J. Durn Valsero Ldo. en Cencias Geolgicas

    Cap.16 -VI ErosinJ.M.

    Rodrguez Ortiz Dr. Ingeniero de Caminos

    Cap.17 Aspectos legislativos y normativos

    de la Ingeniera Geolgica L . Suarez Ordoez Ldo. en CienciasGeolgicas

    Ldo. en Derecho

  • INDICE

    Pa4.

    1. INTRODUCCION 1 /1 PBA.

    2. INTRODUCCION A LA MECANICA piezomtricas 4/9

    DE ROCAS 2/1 4.16. Oscilaciones de niveles

    2.1. Introduccin 2/1 piezomtricos4/10

    2.2. El Medio Rocoso: Origen y 4.17. Hidrulica de captaciones4/11

    Transformaciones 2/4 4.18. Utilizacin prctica de la

    2.3. Propuestas mecnicas de las formulacin clsica de la Hidrulica

    Rocas 2/14 de pozos4/13

    2.4. Alterabilidad de los materiales 4.19. Acufero con varios pozos de

    rocosos 2/29 bombeo: principio desuperposicin

    3. INTRODUCCION A LA MECANICA de efectos4/13

    DEL SUELO 3/1 4.20. Acuferos limitados.Ensayos

    3.1. Origen de los suelos 3/1 de recuperacin4/14

    3.2. Identificacin de los suelos 3/1 4.21. Hidrogeoqumica4/14

    3.3. Clasificacin de los suelos 3/5 4.22. Contaminacin de aguas

    3.4. Deformabilidad de los suelos 3/7 subterrneas4/16

    3.5. Resistencia al corte de los 4.23.Bibliografa 4/17

    suelos 3112 S. INTRODUCCION A LA GEOMORFO-

    3.6. Suelos en condiciones LOGIA5/1

    especiales 3/17 5.1. Introduccin5/1

    4. INTRODUCCION A LA HIDROGEO- 5.2. Procesosexgenos 5/4

    LOGIA 411 5.3. Sntesisgeneral : tipos de

    4.1. El ciclo de agua en la relieves o paisajes5/53

    naturaleza 4/1 6.RECONOCIMIENTO DEL TERRENO 6/1

    4.2. Las Rocas como acuferos 4/1 6.1. El reconocimientodel terreno 611

    4.3. Distribucin del agua en el 6.2. Planificacin dereconocimientos 611

    subsuelo 4/2 6.3. Procedimientos mecnicos de

    4.4. Tipos de acuferos 4/4 reconocimiento delsubsuelo 6/2

    4.5. Presin intersticial y 6.4.Toma de muestras inalteradas 619

    tensin intergranular 4/4 6.5.Registro de datos de sondeo 6/10

    4.6. Potencial hidrulico 4/4 6.6.Ensayos in situ 6/18

    4.7. Coeficiente de almacenamiento 4/4 6.7.Bibliografa 6/23

    4.8. Movimiento del agua subterrnea 4/5 7.ESTABILIDAD DE TALUDES EN

    4.9. Conductividad hidrulica oCORTAS MINERAS 7/1

    permeabilidad 4/6 7.1. Introduccin7/1

    4.10. Homogeneidad e isotropa 4/6 7.2. Principalesproblemas geotcnicos 7/1

    4.11. Validez de la Ley de Darcy 4/7 7.3. Mtodo detrabajo 7/1

    4.12. Superficies equipotenciales.7.4. Condiciones geolgicas 7/3

    Lneas de corriente. Rgimen 7.5.Caracterizacin geotcnica 7/4

    estacionario y rgimen transitorio 4/7 7.6.Sectorizacin 7/7

    4.13. Ecuacin de la continuidad 4/77.7. Problemas de estabilidad de

    4.14. Redes de flujo 4/8 taludes7/7

    4.15. Interpretacin de superficies 7.8.Conclusiones 7/11

  • Pap. Pan.

    8. INGENIERIA , GEOLOGIA Y 12.4. Presas de materiales sueltos 12/24

    MINERIA SUBTERRANEA 8/1 12.5. Estudios previos,

    8.1. Introduccin 8/1 reconocimientos y ensayos 12/32

    8.2. Modelacin del yacimiento 8/1 12.6. Mejoras del terreno 12/37

    8.3. Mtodos de explotacin 8/3 12.7. Estructuras auxiliares

    8.4. Influencias del agua en las de las presas 12/39

    explotaciones mineras 8/21 12.8. Canales 12/39

    8.5. Labores mineras 8/22 12.9. Bibliografa 12140

    8.6. Diseo de techos en 13 . INGENIERIA APLICADA A LAS

    explotaciones mineras 8/26 OBRAS MARITIMAS Y ORDENACION

    8.7. Tensiones en roca 8/30 DEL LITORAL 1311

    8.8. Sismicidad inducida 8/35 13.1. Introduccin 13/1

    8.9. Subsidencia minera 8/37 13.2. Factores actuantes en la

    8.10. Bibliografa 8/40 dinmica costera 13/2

    9. INGENIERIA GEOLOGICA 13.3. Morfodinmica litoral 13/14

    EN TUNELES 9/1 13.4. Alteraciones humanas al

    9.1. Introduccin 9/1 equilibrio natural de las costas 13/25

    9.2. Investigaciones in situ 14. CIMENTACIONES 14/1

    para tneles 9/2 14.1. Introduccin 14/1

    9.3. Influencia de las condiciones 14.2. Tipologa 14/2

    geolgicas y geomecnicas en una 14.3. Valores empricos de las

    excavacin subterrnea 9/13 presiones de trabajo 14/4

    9.4. Clasificaciones geomecnicas 14.4. Determinacin de las presiones o

    de macizos rocosos aplicadas a cargas de trabajo 14/4

    tneles 9/22 14.5. Asientos admisibles 14/13

    9.5. Mtodos en Ingeniera Geolgica 14.6. Influencia tipolgica entre la

    para el diseo de tneles 9129 cimentacin y la superestructura 14114

    9.6. Evaluacin de las medidas de 14.7. Condicionantes econmicos 14/17

    sostenimiento 9/41 14.8. Condicionantes impuestos por

    9.7. Mtodo de excavacin y las estructuras prximas 14/17

    de construccin 9/53 14.9. Condiciones de utilizacin de

    9.8. Bibliografa 9/64 los distintos tipos de cimentacin 14/18

    10. INGENIERIA GEOLOGICA Y 14.10. Influencia del nivel fretico 14/23

    ESPACIO SUBTERRANEO 10/1 14.11. Cimentaciones en

    10.1. Introduccin 10/1 terrenos heterogeneos 14/23

    10.2. La Arquitectura subterrnea 10/1 14.12. Casos especiales de cimentacin 14/24

    10.3. Redes de transporte y 15.INGENIERIA GEOLOGICA Y

    servicios 10/3 PROTECCION DEL MEDIO AMBIENTE 15/1

    10.4. Usos industriales del 15.1. Introduccin 15/1

    espacio subterrneo 10/4 15.2. Alteracin ambiental e impacto

    10.5. Instalaciones militares y ambiental 1511

    defensivas 10/13 15.3. Indentificacin de alteraciones

    10.6. Problemas de Ingeniera Geolgica ambientales15/2

    relacionados con las grandes cavernas 10/15 15.4. Restauracin y proteccin del

    10.7. Bibliografa 10/24 medio fsico geolgico 15117

    11. INGENIERIA GEOLOGICA EN 15 .5. Restitucin de los suelos y

    VIAS DE COMUNICACION 11/1 de la cubierta vegetal 15/19

    1 1.1. Introduccin 111111 16. RIESGOS GEOLOGICOS

    1 1.2. Carreteras 1111 16 - 1. MOVIMIENTOS DEL TERRENO 16-1/1

    11.3 Ferrocarriles 11127 16-1.1. Introduccin 16-1/1

    11.4. Aeropuertos 11129 16-1.2. Tipologa de los movimientos

    11.5. Bibliografa 11129 del terreno16-1/1

    12. OBRAS HIDRAULICAS 12/1 16-1.3. Los movimientos del terreno

    12.1. Conceptos bsicos 12/1en Espaa 16-1/1

    12.2. Problemtica general planteada 16-1.4. Peligrosidad potencial y

    por la ejecucin de una presa 12/6 riesgos asociados a los movimientos

    12.3. Geologa y emplazamientodel terreno

    16-1/4

    de presas 12120 16-1.5. Determinacin del riesgo 16-1/7

  • Pag. Paa.

    16-1.6. Causas de los movimientos 16-1/8 16-1V. INUNDACIONES 16-IV/1

    16-1.7. Medidas correctoras 16-1/8 16-IV.1. Introduccin 16-IV/1

    16-1.8. Bibliografa 16-1/11 16-IV.2. Factores geomorfolgicos y

    16-11. RIESGO SISMOTECTONICO 16-11/1 antrpicos que controlan una

    16-11.1. Introduccin 16-11/1 inundacin 16-IV/2

    16-11.2. Peligrosidad y riesgo 16-IV.3. Efectos de las avenidas 16-IV/7

    sismotectnico 16-11/1 16-IV.4. Obras de proteccin y defensa 16-IV/8

    16-11.3. Geologa y Geotecnia regional 16-1114 16 -V. RIESGOS ASOCIADOS AL

    16-11.4. Sismicidad regional 16-11/6 KARST 16-V/1

    16-11.5. Leyes de atenuacin 16-11/7 16-V.1. Introduccin 16-V/1

    16-11.6. Estudios sismotectnicos 16-11/7 16-V.2. Riesgos geomecnicos 16-V/1

    16-11.7. Riesgo ssmico 16-11/9 16-V.3. Riesgos hidrogeolgicos 16-V/10

    16-11.8. Seleccin del terremoto 16-VI. EROSION 16-VI/1

    del diseo 16-11/13 17 . ASPECTOS LEGISLATIVOS Y

    16-11.9. Acciones ssmicas del diseo 16- 11/14 NORMATIVOS DE LA INGENIERIA

    16-11.10. Influencia de las GEOLOGICA 17/1

    condiciones locales 16-11/19 17.1. Introduccin 17/1

    1 6-11.11. Consideraciones sismotec- 17.2. Legislacin en el campo de la

    tnicas para el diseo sismorre- Ingeniera Geolgica 17/1

    sistente 16-16/22 17.3. Legislacin y normativa en el

    16-11.12. Bibliografa 16-11/22 campo de la Ingeniera Geolgica 17/6

    16-111. RIESGO VOLCANICO 16-111/1 17.4. La responsabilidadcivil en

    16-111.1. Introduccin 16-111/1 el proceso constructivo y en sus

    16-111.2. Bibliografa 16-111/6 relaciones con laIngeniera Geolgica

    y Geotcnica 17/23

  • CAPITULO 1

    INTRODUCCION

    En el ao 1914, Ries y Watson publicaban, en formacin en Geologa, y que slo se va a tratar de las

    Nueva York, sus "Elements of Engineering Geology", aplicaciones de la misma: "No es un resumen de los

    que podemos considerar como el precedentes ms principios geolgicos que interesan al Ingeniero -dice-

    explcito de este libro. En su prlogo, los autores sino de los recursos que la Geologa ofrece a la

    escribieron: "Probablemente tan slo habr unas pocas prctica". Y as, se extiende a presentar ejemplos de la

    personas de cualidades de observacin y de experiencia influencia de los factores geolgicos en tneles (Mont

    prctica que dude del valor de una educacin geolgica Cenis), presas (Puentes, Valdeinfierno, Pontn de la

    adecuada al Ingeniero, puesto que ste debe estar Oliva), y cimentaciones (Faro de Vilaviciosa).

    preparado para detectar y resolver muchos problemas

    que implican principios geolgicos". Si nos asomamos a la literatura internacional

    los precedentes que encontraremos son, por supuesto,

    Leyendo este prrafo, pudiera pensarse que la mltiples: citemos la Memoria de Collin (1846) sobre los

    traduccin ms fiel al pensamiento de los citados corrimientos en los canales construdos en terrenos

    autores es "Geologa Ingenieril", pero el hecho es que arcillosos, y las distintas obras de Heim, iniciadas en

    hoy est ms extendida la traduccin que figura en el 1882 con "Ueber Bergsturze " (Sobre los aludes de

    ttulo del libro que hoy presentamos. rocas). En Austria, Stini publicar en 1918 su

    "Petrologa Tcnica", que ser seguida de otras obras,

    Pero si, hecha esta salvedad, este es el primer y, como acontecimiento principal, de la fundacin, en

    precedente claro que hemos encontrado del nombre, el 1929, de la Revista "Geologie und Bauwesen", en

    concepto es mucho ms antiguo, hallndose ya cuyas pginas se pueden seguir todas las fases de la

    presente en las primeras publicaciones en las que se estructuracin de lo que hoy llaman Ingeniera

    configur la Geologa como rama autnoma de las Geolgica.

    Ciencias Naturales. Es en 1807 cuando se constituye la

    primera Sociedad Geolgica del mundo, la "Geolocial Este proceso ha sido laborioso, y no ha estado

    Society of London" y en 1815 cuando se publica el exento de contradicciones y de dudas sobre su propia

    "Map of the Strata of England", cuyo autor era Sir identidad, lo cual, por otra parte, tan solo demuestra

    William Smith , considerado por muchos como el "padre que es un ser en crecimiento , con vida propia y pujante.

    de la Geologa en Gran Bretaa" . Pues bien, este mismo No creemos necesario , ni tan siquiera til, el

    autor , cuya actividad principal fue la de construir tradas empearnos en buscar una definicin precisa , que sera

    de aguas y canales , y avenar terrenos, haba escrito ya como un cors ortopdico aplicado a un cuerpo en

    en 1801 sobre la utilidad prctica del conocimiento del pleno desarrollo. Tan solo en los seres enfermos, y solo

    "orden natural de los estratos", mediante el cual "el con mucha medida, puede esto hallarse justificado, y la

    Ingeniero de canales podr elegir su estrato , encontrar Ingeniera Geolgica no est en ese caso. Es preferible

    los materiales ms apropiados, huir de los terrenos que ella encuentre su configuracin natural, y que llegue

    corredizos, y evitar los accidentes". a ir delimitando sus contornos en el contacto con otras

    disciplinas. Y lo que hay que conseguir a toda costa es

    En Espaa, contamos tambin con venerables que dichos contactos no constituyen fronteras, sino

    precedentes, entre los que hay que citar en primer lugar sinapsis que mantengan activa esta rama de la Geologa

    las "Aplicaciones de la Geologa a la prctica del dentro del sistema de la Tcnica.

    Ingeniero de Caminos", obra publicada en 1869 y

    reeditada en 1888, cuyo autor fue D. Rogelio de Hecha esta declaracin de principio, podemos,

    Inchaurrandieta y Pez, profesor, en la ltima de las con todo, recordar algunas de las definiciones de la

    fechas citadas, de la Escuela. Es un folleto de 92 Ingeniera Geolgica que se han formulado. Est, por

    pginas, que no son tan pocas si consideramos que ejemplo, la del American Geological Institute, que dice:

    parte del supuesto de que el lector tiene ya una es la aplicacin de las Ciencias Geolgicas a la prctica

    --- ---- ------

  • 112 INTRODUCCION

    de la Ingeniera, con el propsito de asegurar que los que este problema no es solo nuestro, sino que se

    factores geolgicos que afectan a la ubicacin, presenta en otros muchos campos del conocimiento

    proyecto, construccin, operacin y mantenimiento de humano. Vemos, por ejemplo, que Ortega y Gasset, en

    las obras del Ingeniero han sido reconocidos y una carta, recientemente exhumada, dirigida al filsofo

    adecuadamente tenidos en cuenta". krausista D. Manuel Bartolom Cosso, escriba: "Por

    muchos motivos, es para m una cuestin importnte,

    Quiz podamos llegar a una visin ms clara si sta: ... en mi penltima conferencia, y en otros

    seguimos otro camino. En el Segundo Congreso de la trabajos mos, he insistido en presentar, como

    Asociacin Internacional de Ingeniera Geolgica (Sao imperativo metodolgico de nuestra poca frente al

    Paulo, 1974) se dedic unas de las sesiones plenarias siglo XIX, la acentuacin de lo diferencial de las cosas.

    al tema "Teaching and Training in Engineering El siglo pasado pec de fusionismo y unitarismo; tuvo

    Geology", y, en ella, Klaus W. John hizo notar que las demasiada prisa por probar la identidad de lo distinto...

    dificultades en el entendimiento entre gelogos e Sin duda que es un carcter esencial de la Razn buscar

    ingenieros no vienen de cuestiones de lenguaje o de la unidad de lo diverso, pero no lo es menos fijar la

    escala, sino de formacin: "Los gelogos -dijo- prefieren diferencia de lo uno. Ambos son la sstole y la distole

    enfocar el problema intuitivamente, indirectamente, y del intelecto".

    en general en trminos cualitativos, muchas veces

    prefiriendo detenerse en el problema, en lugar de ir a los El Gelogo, segn Klaus W. John, como antes

    resultados. Se resaltan las complejidades y se aceptan hemos visto, est educado para observar la complejidad

    las simplificaciones tan solo con vacilacin". Y, en de la Naturaleza, y es esencial no daar esta vocacin.

    cuanto a los ingenieros , " estn educados para ser La Naturaleza es inmensamente varia, con diferencias

    analticos, adictos a las teoras, y para confiar en los que tienen el ms decisivo influjo en la prctica.

    datos nmericos, en abstracciones de las condiciones Tomando un ejemplo de un campo distinto, pero

    naturales ... muchas veces llevadas al exceso , por una siempre dentro de las Ciencias Naturales , el cientfico D.

    tendencia a simplificar en grado indebido , con el fin de Antonio G. Gonzlez ha expuesto, en una reciente

    poder llegar a un tratamiento numrico del problema, ya conferencia , cmo, tras el estudio de miles de especies

    que ellos, por su educacin y el ambiente en que de vegetales superiores, solo unas pocas proporcionan

    trabajan, estn dominados por una orientacin hacia los sustancias tiles para el tratamiento de las

    resultados ". enfermedades cardiovasculares, y an esas pocas estn

    separadas en gneros distintos; y apenas media docena

    Debemos reconocer la existencia de esas tienen accin sobre los procesos neoplsicos . Ejemplos

    dificultades de colaboracin, y parece que la Ingeniera notables son tambin los de la Cinchona o "rbol de la

    Geolgica est llamada a ser el puente que las resuelva . quina", la adormidera o el Erytroxilum coca , especies

    Pero tan slo con las mayores precauciones deberemos vegetales productoras de agentes de caractersticas

    aceptar la idea de que sea un "melting pot", ya que las sumamente peculiares , cuyo equivalente no se

    aleaciones tienen a veces propiedades excelentes para encuentra en otras especies vegetales, ni aun en las que -'

    determinados fines, pero carecen de otras que tenan estn muy relacionadas . Ello no desanima a los

    sus componentes , . las cuales, en circunstancias investigadores , y el Instituto Nacional del Cancer de los

    determinadas , pudieran ser las ms interesantes . Estados Unidos, por ejemplo , tiene ahora en marcha un

    plan para el estudio de cerca de cinco mil especies,

    No podemos aceptar el concepto de un recolectadas en todos los pases del mundo, pero

    Ingeniero que , por repugnancia hacia las abstracciones preferentemente en aquellos que, por estar menos

    de un modelo matemtico , huya de los tratamientos desarrollados , son menos conocidos . Y este estudio va

    numricos , que son los que pueden dar la respuesta que a hacerse especie por especie , sin dejarse llevar por la

    se le pide , que es algo que tiene que estar expresado en tentacin de establecer una clasificacin basada en un

    magnitudes fsicas concretas , en centmetros , por nmero escaso de atributos , que condujera a

    ejemplo, o en grados. Pero el peligro est en la seleccionar los gneros potencialmente activos. Esto

    simplificacin prematura o excesiva, cuyo antdoto, en hubiera constituido un caso tpico de simplificacin

    el caso de los problemas relacionados con el terreno , prematura y peligrosa.

    est en manos de la Geologa.

    Volviendo a nuestro campo, en el Sptimo

    Es un equilibrio difcil, pero es imprescindible el Congreso de la Sociedad Internacional de Mecnica de

    mantenerlo, y debe darnos nimos la comprobacin de las Rocas, celebrado recientemente en Aquisgrn, Mr.

    -1

  • 1/3

    Pierre Londe, Presidente de Honor de la Comisin croata , cuyos resultados fueron posteriormente

    Internacional de Grandes Presas , nos hizo recordar que publicados en 1913 . Pero, como dijo ms tarde en su

    la seguridad de una presa depende muy frecuentemente discurso de apertura del Primer Congreso Internacional

    de detalles aislados de la roca del cimiento ; de una de Mecnica del Suelo ( Harvard, 1936), pronto se di

    diaclasa rellena , de una banda milonitizada , etc. y de la cuenta de que la informacin geolgica deba ser

    extensin y configuracin geomtrica de los mismos, complementada con datos numricos que, en aquel

    todo lo cual difcilmente entra en una clasificacin entonces pens que tan solo podran ser obtenidos

    generalista de los macizos rocosos. mediante ensayos fsicos efectuados en el laboratorio.

    Supuesto que parcialmente sigue siendo vlido, an

    Si nos detenemos sobre esta cuestin, nos cuando las tcnicas de ensayo en el campo han ido

    daremos cuenta , igualmente, de que esta misma teniendo un desarrollo y refinamiento que Terzaghi no

    preocupacin por reconocer los detalles de la haba llegado a prever.

    Naturaleza , conscientes de su variedad, est en la base

    de la renovacin que Terzaghi introdujo en la forma de Son distintos frentes , distintos caminos que

    acercarse a los problemas de Ingeniera relativos al convergen hacia tareas concretas . Este libro contiene

    terreno, si bien, inicialmente , eligi para ello un camino una informacin cuidadosamente escogida sobre cada

    distinto, igualmente importante , que no debemos dejar uno de ellos, elaborada por excelentes autores, cada

    de lado en ningn caso: el de la experimentacin . En uno de ellos con la ms amplia experiencia en cada uno

    efecto, por una ilusin ptica debida a su posicin de sus respectivos campos. El lector deber ahora

    relativa, muchos han pensado que la aportacin estudiarla , seleccionando la que encuentre que para l

    fundamental de la Mecnica del Suelo, a la manera que es ms til, segn su formacin , insistiendo sobre

    la entendi Terzaghi, consisti en la introduccin del aquello que sea ms marginal a la misma; mezclando lo

    Clculo en el tratamiento de los problemas del terreno . que convenga mezclar, y que se compruebe que es

    Pero esto no es cierto en modo alguno, ya que la mayor miscible, pero sin extenuarse en aras de un

    parte de las teoras matemticas utilizadas por Terzaghi "fusionismo" que puede resultar difcil y, con

    estaban ya establecidas y en uso antes de que Terzaghi frecuencia , inadecuado . Una mesa tiene varias patas, y

    es "Erdbaumchanik auf bodenphysikalischer Grundlage " lo que importa es que trabajen solidariamente, sin que

    ( Mecnica de las tierras sobre fundamentos fsicos) y en debamos pretender juntarlas.

    l se insiste en la determinacin de las verdaderas

    propiedades de las tierras mediante ensayos de An hay que sealar otra muy importante

    laboratorio , este otro colaborador indispensable del funcin que la Geologa debe llenar durante el proceso

    Ingeniero . Es sta otra manera de reconocer la variedad de proyecto y ejecucin de una obra civil: con

    de la Naturaleza , y era sta la novedad que Terzaghi demasiada frecuencia, se olvida que la estructura

    deseaba introducir mediante su libro, que est basado ingenieril se halla situada " en el terreno ", y as Gmez

    "sobre fundamentos fsicos", rechazando el La, catedrtico de Geologa (hoy jubilado ) de la Escuela

    "fusionismo " que haba infectado, por ejemplo, las S.T . de Ingenieros de Caminos de Santander , dijo en

    teoras de empuje de tierras , en la aplicacin de las una ocasin: "No hay duda de que las Obras Pblicas

    cuales se haba llegado a aceptar que la cohesin de las constituyen una parte del relieve, no solamente porque

    tierras es siempre despreciable . Por otra pa rt e , Terzaghi forman estructuras que se hallan comprendidas en el

    concedi siempre el mayor valor al ms meticuloso paisaje , sino, adems , porque estn sometidas a los

    reconocimiento geolgico de los terrenos en los que mismos agentes exteriores, se encuentran

    deba llevar a cabo sus estudios , y, durante el ltimo condicionadas por una reologa muy parecida, e

    perodo de su vida , ense precisamente Geologa introducen modificaciones en la morfologa del terreno,

    Aplicada .respecto a las cuales debemos prever la respuesta

    natural" . Por esto mismo hemos comparado alguna vez

    Ciertamente, su inters en este campo vena la construccin de una obra pblica a una operacin de

    desde sus primeros tiempos, puesto que la primera vez ciruja esttica, ejecutada sobre la superficie de la

    que vemos su nombre impreso lleva la fecha de 1906 , Tierra, y hemos dicho que lo que debe preocuparnos en

    como traductor del libro "Apuntes de Geologa de ltimo trmino no es la forma y condiciones de la herida

    campo", de Geiki. Este trabajo lo llev a cabo mientras que vamos a infligir al terreno , sino la de la cicatriz. No

    haca el servicio militar, despus de su graduacin, en podemos , pues , limitarnos a calcular el comportamiento

    Graz, como ingeniero mecnico, y entre sus primeras mecnico del "bulbo de presin" que una cimentacin

    tareas profesionales puede verse que aquellas por las induce en el terreno, o la estabilidad de un talud que

    que tom un inters duradero fueron las que tenan creamos, sino que debemos prever tambin que es lo

    relacin con la Geologa . La ms importante de esa que ocurrir con la estructura y todo su entorno cuando

    primera poca fue el estudio de un posible esa "respuesta natural" de la que Gmez La hablaba se

    aprovechamiento hidroelctrico en la regin krstica haya manifestado . Un ejemplo muy claro de sto es el

  • 1 /4 INTRODUCCION

    de los puentes: muchos ms se han cado por Otra ilusin, muchas veces falaz, es la de que

    socavacin que por falta de resistencia de sus el anlisis retrospectivo es un buen procedimiento para

    cimientos, en el estado inicial del cauce. hallar los parmetros que definen las propiedades de los

    terrenos. Esto solamente es vlido cuando la teora con

    Y, todava, este ejemplo de los puentes nos la que el anlisis se hace es correcta; pero aqu,

    lleva a extender un poco ms el concepto de "respuesta nuevamente, la facilidad de manejar procedimientos

    natural", amplindolo al de "evolucin natural", pues complejos nos hace creer, sin previo examen crtico,

    bastantes de los puentes socavados lo han sido, no por que son adecuados.

    el efecto local de sus pilas, sino por procesos ms

    generales, que llegaron a afectar el nivel de equilibrio de Ciertamente, los parmetros determinados

    los ros: disminucin de aportes slidos por mediante un anlisis retrospectivo nos permitirn una

    reforestacin, construccin de embalses aguas arriba, previsin razonable para un caso que sea muy parecido

    etc. Y hay casos provocados por fenmenos de al previamente analizado, pero esto es ir y venir a lo

    amplitud todava mucho mayor, como es el de la largo del mismo camino, en un paseo intil y que,

    emergencia de la Pennsula Escandinava , que origina incluso , puede acarrearnos embarazosas sorpresas,

    que los taludes de muchos de sus valles estn en una cuando nos encontramos que los pjaros de los errores

    situacin de estabilidad estricta. Y tampoco puede numricos acumulados se comieron las miguitas con las

    comprenderse la generalizada inestabilidad de las que esperbamos haber sealado el camino. Y el

    laderas andinas si no fuera porque la Geologa nos ha procedimiento carecer de todo rigor si lo aplicamos a

    informado previamente de la juventud de su relieve. condiciones iniciales muy diferentes, convirtindose

    nuestros anlisis, como dice P. Martin, en "ejercicios de

    Encontrndonos en un territorio tan inmenso, matemticas aplicadas al estudio de un medio cuyos

    no parece que tengamos que entrar en disputas por lazos con el medio natural son muy tenues".

    cuestiones de aparcamiento. Debemos, contrariamente,

    organizar modos de accin coordinados que nos Este mismo autor, en su "Essai sur la

    permitan transitar con seguridad por terrenos tan vastos Geotechnique", que para l tiene un contenido no muy

    y poco conocidos . La aproximacin puramente diferente de lo que otras veces se denomina Ingeniera

    naturalista ya hizo sus pruebas , y lo manifiesto de sus Geolgica, dice: "La Geotecnia est llegando a ser una

    insuficiencias es lo que movo a Terzaghi a trascender Ciencia adulta y original. Avanza volviendo a tener en

    del plano en el que haba empezado a moverse , y al que cuenta el medio natural , sin olvidar los logros

    tan aficionado era. Tambin el camino terico- matemticos de la fase anterior. La vuelta al mtodo

    matemtico demostr su incapacidad para reproducir experimental , que debe permanecer en la base de la

    adecuadamente muchos de los comportamientos investigacin cientfica, objeto del conocimiento de lo

    observados . El progreso en este ltimo campo ha sido , real y no palestra de ejercicio de la inagotable

    sin embargo , tan rpido en esta era del ordenador , que imaginacin humana, constituye siempre una prueba de

    podamos preguntarnos si dicha incapacidad ha sido ya la salud de una Ciencia".

    subsanada.

    Salvando el calificativo aplicado de Ciencia a la

    En otras disciplinas, el crecimiento de la Geotecnia, que su propio nombre contradice , lo cual

    Matemtica ha acompaado , y a veces seguido , los viene a ser por parte de Martin un gesto de buena

    progresos de una rama de la Ciencia, generalmente voluntad, dada la generalizada tendencia a poner las

    dentro de la Fsica; con lo cual la adaptacin de la Ciencias por encima de las Tcnicas (cuestin de

    herramienta a los fines ha resultado perfecta , hasta el valores que no queremos tocar aqu) no podemos por

    punto de llegar a confundirse una y otros. Pero el menos de suscribir la afirmacin consignada. La

    clculo numrico no ha crecido para , ni con la Mecnica Observacin, la Experimentacin, que es tambin

    del Suelo, y as, tenemos a nuestra disposicin un traje Observacin, pero de fenmenos provocados, y,

    suntuoso , pero que no acaba de sentarnos bien. La habitualmente, en condiciones en las que las medidas

    complejidad y refinamiento de los algoritmos oculta a son mucho ms precisas , y el Clculo, que

    nuestros ojos la arbitrariedad del modelo , hiperblico u fundamentalmente no es ms que el mecanismo por el

    otro, o la inexactitud de los parmetros ; y terminamos que la mente humana puede sistematizar y procesar los

    por aceptar los resultados, cuando "se parecen" a lo datos que mediante la observacin ha adquirido,

    que habamos previsto por teoras mucho ms constituyen conjuntamente el herramental de que

    elementales o incluso por la simple intuicin .disponemos para planear las acciones que el Ingeniero

  • 115

    ha de ejercer para mejorar el estado natural con relacin

    al bienestar del Hombre.

    Todo ello compone un conjunto tan amplio de

    materias que no puede pretenderse que, en loslmites

    de un solo libro, se lleguen a agotartodos los aspectos

    de cada una de ellas .Pero es de gran utilidad el

    contemplarlas reunidas , tal como cuandoordenamos y

    numeramos las dovelas del arco que se va a erigir. De

    esta manera , ninguna de ellas ser olvidadani siquiera

    colocada en un sitio diferente del quele corresponde.

    Tan solo me queda felicitar a los autores porla

    magnitud y acie rto de su esfuerzo y,transcribiendo las

    palabras con las que Terzaghi termin suprlogo de la

    Erdbaumechanik , suscribir: " La finalidad de estelibro

    tan solo se habr cumplido, si se traduceen la calidad

    de los informes y de los trabajos de construccinen el

    terreno" . Es de esperar que as sea y que , deesta

    forma , los autores encuentren lacompensacin

    merecida por sus fatigas.

  • CAPITULO 2

    INTRODUCCION A LA MECANICA DE ROCAS

    2.1. INTRODUCCION - Un sistema de cristalizacin

    2.1.1. El material - Una dureza superficial que puede clasificarse

    dentro de la conocida Escala de Mohs (es decir

    La Mecnica de Rocas o de las Rocas puede entre la del talco laminar y la del diamante).

    considerarse como aquella parte de la Geotecnia que

    abarca todos los estudios tericos y experimentales - Una consistencia o cohesin (que podemos

    destinados a conocer el comportamiento mecnico e definir globalmente como la fuerza que une las

    hidromecnico de las rocas, al ser sometidas a cambios partculas y minerales) elevada.

    en sus estados tensionales y en sus condiciones

    hidrulicas. - Una clasificacin geolgica reconocible:

    granito, esquisto, etc.

    La fuente de estos cambios puede ser bien

    natural -por ejemplo, mediante la accin ambiental- o Sin embargo la definicin de estos factores

    bien humana -por realizacin de excavaciones, puede ser insuficiente para dejar claro su

    construccin de estructuras sobre la roca, etc.-, o bien comportamiento bajo cambios tensionales. Para evitar

    combinada, ya que la accin humana puede provocar o esto, algunos autores han propuesto eliminar las

    desencadenar, de forma acelerada, procesos definiciones anteriores (de tipo geolgico) y definir la

    ambientales que se hubieran producido ms lentamente. roca por alguna propiedad mecnica, como puede ser la

    resistencia a compresin simple de una

    El propsito de esta rama de la Mecnica es muestra del material (generalmente cilndrica, de

    pues conocer las respuestas de la roca, la mayor parte dimetro inferior a 10 cm y altura menor de 20 cm). En

    de las veces en forma global y prctica, y es por ello ese sentido se ha intentado separar el material tipo

    que, lo que para unos es tcnica y para otros ciencia; "suelo" del tipo "roca" mediante una cifra para el

    viene a tener un propsito eminentemente prctico e resultado del ensayo citado (p.e., 10.000 kN/m2). Pero,

    ingenieril. Se trata pues de una forma de Mecnica precisamente un buen conocimiento del material "roca"

    Aplicada, intentarse a veces explicar el comportamiento hace que esta definicin tan simple sea ineficaz.

    de la roca por procedimientos empricos, y experiencias

    histricas, junto con las determinaciones concretas de Otra definicin, tambin sencilla y prctica,

    respuestas parciales del material ensayado en como la de llamar "roca" a aquellos materiales que slo

    laboratorio o "in situ", como se ir viendo en las se pueden arrancar y excavar mediante el uso de

    pginas que siguen. explosivos, hoy da queda corta. Si bien todos los

    materiales en los que las excavaciones han de

    El material de estudio es "la roca", concepto acomterse mediante voladuras son "rocas", es pobible,

    que presenta serias dificultades de definicin. Puede actualmente, utilizar instrumentos mecnicos (rapadoras,

    decirse que el trmino "roca" hace referencia a las martillos, etc) que permitan excavar materiales como las

    unidades esenciales de la corteza terrestre en las que se calizas margosas, margas calcreas, esquistos, etc,

    distingue origen, composicin y otras caractersticas dejando taludes en material de aspecto y

    geolgicas. Es decir a materiales con: comportamiento rocoso (con taludes de hasta30-40 m,

    con inclinacin 1 (H):3(V). Ello es posible en materiales

    Una mineraloga determinada en que la resistencia a compresin simple deuna

    muestra pequea sera de 20.000 a 40.000 kN/m2, pero

    Una fbrica bien definida, marcada por su en que el elevado grado de fracturaciny la presencia

    origen, composicin, historia geolgica, etc. de discontinuidades permite la disgregacin del macizo

    rocoso por medios mecnicos.

  • 2/2 INTRODUCCIONA LA MECANICA DE ROCAS

    Y es que realmentela Mecnica de Rocas no -

    La presencia de familias de discontinuidades:

    ha de aplicarse a unmaterial terico, contnuo, istropo

    orientacin, buzamiento, separacin o

    e indefinido (ello puedeser, en algn caso, un

    modelo frecuencia, apertura, rugosidadde la

    terico circunstancial), sino aun macizo rocoso, con

    discontinuidad, presencia de posibles rellenos

    sus disposicionesrelativas que ha de definir la Geologa

    en ellas (debido a arrastres o alteraciones dela

    y en que, en cada uno deestos materiales, cabe roca

    prxima), circulacin de agua, etc.

    distinguir (Fig. 2.1):

    Respuesta del material base frente a los

    - La roca intacta o matriz,materia prima del cambios tensionales o

    hidromecnicos.

    material y cuyos fragmentos enterospueden

    llevarse al laboratorio, dado -engeneral- su - Respuesta de las

    discontinuidades frente a los

    tamao.mismos cambios.

    - La roca masiva o roca "in situ", surcadapor Respuesta final del conjunto de

    fracturas, litoclasas, superficies dediscontinuidades y material base frente a los

    estratificacin y otros tipos decambios citados, objetivo final de esta tcnica.

    discontinuidades, generalmente presentes

    segn familias paralelas a diversas superficiesComo puede apreciarse en esta enumeracin,

    quasi-planas, que se cortan entre s, definiendolos dos primeros apartados suponen realmente una

    bloques del material original.toma de datos sobre todo descriptiva, a realizar con

    ayuda de las metodologas geolgicas habituales:

    La presencia de estas discontinuidades imprime observacin deltipo de material y su origen, definicin

    un verdadero carcter especial al macizo rocoso, de cadafamilia de discontinuidades o "juntas" (rumbo,

    introduciendo en l la posibilidad de:buzamiento, espaciamiento), su estado (rugosidad,

    presencia de agua), etc, tcnicas observacionales

    - Movimientos relativos de bloques dentro del aplicadas a la superficie demacizos o columnas de

    macizo, tan importante a la hora de realizar sondeos, ayudadas porlas tcnicas geofsicas, muy

    excavaciones en ellos. apropiadas para diferenciar contactos entredistintos

    materiales rocosos. El apartado tercero necesita,

    - La filtracin de agua a travs de caminos principalmente, de ensayos de laboratorio, mientras que

    preferenciales y, generalmente, de mayor en el cuarto han de combinarse los datos de laboratorio

    permeabilidad. del material base (resistencia, deformacin, etc) y con

    nuevos datos de sondeos mecnicos, prospecciones

    - La posibilidad de alteracin de la roca a travs geofsicas, ensayos mecnicos "in situ" de pequea,

    de estos caminos, originada bien por la mediana y gran dimensin, que afecten no sloal

    filtracin del agua (hidratacin, disolucin, material base sino a las discontinuidades. La suma de

    arrastre, etc), bien por la accin climtica todos estos conocimientos, junto con la forma definitiva

    (congelacin del agua , desecacin ms rpida de variacin de las condiciones tensionales iniciales es

    a travs de las fisuras, etc.), creando bandas la que permitir definir el quinto apartado.

    ms dbiles entorno a las discontinuidades.

    Pero este ltimo punto encierra la problemtica

    - La introduccin de una posible e importante especial que introducir "la obra" a realizar, la cual debe

    anisotropa del macizo rocoso. ser intuda desde el principio, a fin de que los estudios

    a realizar (normalmente denominados "geomecnicos")

    1.2. Metodologa de estudio se orienten debidamente. As, puede establecerse una

    metodologa de trabajo adecuada al problema a resolver.

    Por todo lo anteriormente expuesto, los

    macizos rocosos necesitan una definicin de: A ttulo de ejemplo, Oteo y G. de Vallejo

    (1982) establecieron la metodologa de estudio

    Su material base o roca matriz, entendiendo reproducida en la fig. 2.2., dirigida especficamente para

    como tal el conjunto de material que, a simple estudio de los condicionantes geotcnicos en el diseo

    vista parece continuo y sano; o sea el ncleo de cortas mineras. En este caso concreto, se ha de

    del macizo. tener en cuenta los siguientes problemas:

  • 2/4 INTRODUCCION A LA MECANICA DE ROCAS

    4) Los producidos por la incidencia de la

    CONOSexplotacin en el medio ambiente: Cambios en

    MINERASel rgimen hidrogeolgico de la zona,

    IO(Ot O&A ESTUDIOS COMPLEMENTARIOS

    RL . E RVAS: .. escombreras, contaminacin por circulacin de

    EC1 ICEOLO- TSCRUCTURAL

    NATER:LE."r, ETf, ,agua superficial a travs de vertidos, etc.

    Para tener en cuenta todas estas circunstancias

    MODELO GEOMECANICO PREVIO (M. GP)

    (a cambiar por las adecuadas en otras actividades

    ingenieriles) la metodologa descrita en la fig. 2.2 puede

    INFORME GEOTECNICO DE DETALLE

    resultar adecuada: a partir de los estudios geolgicos

    (ENSAYOS Y ANALIS15 "A PCSTERIORI previos, de primeras medidas de las propiedades

    mecnicas de los materiales bsicos y de la definicin

    del estado del macizo rocoso (materiales diferentes,

    SECTORIZACION -- M.G.D.familias de diaclasas, etc), se puede establecer el

    Modelo Geomecnico Previo (M.G.P) que sirve para

    P

    LISIS PROBLEMAS ESPECIFICOS

    definir los problemas presentes en cada tipo de material

    FORMAS DF. ROTURA CE TALUDES, ylas propiedades mecnicas que ms interesan en ese

    ERABILIDAD . TENSIONES INTERNAS)

    tema especfico u obra concreta (lo cual deben ser

    estudiados en el Informe Geotcnico de Detalle

    RECOMENDACIONES GEOMECANICAS

    (M .G.D), el cual permitir analizar los problemas

    (TALUDES FINALES Y DE BANCO FORMAS

    EN PLANTA, MANTENIMIENTO

    ,

    ,ETC.) especficos de la obra a realizar y establecer las

    recomendaciones geomecnicas de diseo (inclinacin

    Fig. 2.2 .- Metodologa de estudio de losde taludes, drenajes, tratamiento de discontinuidades,

    condicionantes geotcnicos en cortascimentaciones, etc).

    En la fig. 2.3 puede verse un ejemplo sencillo

    1 Los derivados del reconocimiento geotcnico,

    de sectorizacin geomecnica, con el M.G.D. de una

    puesto que ha de realizarse sobre grandes

    corta de carbn en pizarras cordobesas. En ese M.G.D

    reas, (1-10 Km') y que deben alcanzar

    puede verse una planta esquemtica de la zona, su

    profundidades del orden de 150 a 300 m. El

    sectorizacin, los modelos adoptados para representar

    elevado coste de estas prospecciones hace que

    las familias de discontinuidades en cada sector y los

    deban ser muy bien planeadas y ejecutadas

    datos de resistencia al esfuerzo cortante en las

    con el mximo rendimiento posible.

    discontinuidades principales a adoptar para los anlisis

    de estabilidad de taludes.

    29 Los especficos derivados de las grandes

    profundidades a alcanzar en las obras, lo cual

    2.2. EL MEDIO ROCOSO: ORIGEN Y -

    presenta problemas geomecnicosTRANSFORMACIONES

    (plastificacin del pie de taludes, por ejemplo)

    y temporales (como la meteorizacin de las

    2.1.1. Materiales tpicos

    rocas, que se produce a lo largo de los

    dilatados perodos que permanecen los taludes

    Los medios rocosos estn constitudos por los

    abiertos y a favor de las decompresiones

    materiales que distingue habitualmente la Geologa,

    originadas en materiales, en muchos casos,

    encargndose la Mecnica de Rocas de aadir

    altamente fracturados).

    calificativos que complementan el nombre geolgico,

    tales como blando, duro, alterado, fracturado, etc, as

    3) Los que deben analizarse para poder establecer

    como ndices y parmetros que permiten llegar a definir

    las recomendaciones de tipo geotcnico para el

    su comportamiento bsico.

    diseo minero bsico y en relacin con varios

    aspectos de tipo primario: taludes finales y deSeguiremos aqu las denominaciones habituales

    banco, drenaje, influencia de la geometra de laen Geologa Aplicada por lo que pueden distinguirse tres

    excavacin, ripabilidad, alterabilidad superficial,

    grandes grupos de materiales tpicos:

    etc.

    Rocas gneas

  • 2/5

    SU: ,PGLS OW NrI ,. rp C

    1TIm "`J ( )

    5 N-

    r ' .IS

    ULA

    el V. 0ELO LE r ISCCNTINVI-

  • NO

    v

    C

    Piroclasticas Igneas Grupo genetico

    z

    Masiva Estructura habitual

    D

    r

    Al menos el 50 7o

    Cuarzo , feldespato , mi- Feldespato, mi- Minerales

    de los granos son

    cas, minerales opacos perales opacos opacos

    Composicionm

    de rocas igneas

    Acido Intermedio Basico Ultrabasico

    D

    z

    n

    'Granos redondeados )

    Grano

    E

    >

    AGLOMERADO

    Peg ma tito muy E

    mgrueso

    60 2

    m

    Piroxenita c

    O

    (Granos angulosos)

    GRANITO DIORITA GABRO

    Grano

    n

    BRECHA VOLCANICA grueso U)

    Peridotitao

    L -o

    Grano

    TUFITAS DOLERITA

    medio 0

    0.06

    TUFITAS DE Grano

    GRANO FINO fino Q1v

    RIOLITA ANDESITA BASALTO 0.002 o

    Grano

    TUFITAS DE

    GRANO MUY FINO

    fin

    muy E

    o

    VIDRIOS VOLCANICOS

    VIDRIOS

    AMORFOS

    TABLA 2.1.-CLASIFICACION DE ROCAS IGNEAS

    l t

  • Sedimentos detriticos

    Sedimentos

    Quim. y Organ.

    Grupo genetico

    Estratificado Estructura Habitual

    Al menos un 50 %

    Sales,

    Granos de roca, cuorzo,feldespato

    de los

    carbonatos,

    y minerales arcillosos

    granos son

    silice y

    Composicion

    de carbonato

    materia orgonica

    Sus granos so n frag m e ntos de roca

    ROCAS

    Grano

    EC

    Granos redondeados

    EVAPORATIVAS

    gru

    mueso

    r Conglomeradosv,

    CalciruditasHalito

    60

    a

    Granos angulares -oAnhidrito Grano

    o

    Brechas 0Yeso grueso

    Sus granos son principalmente y

    2

    o

    Dfr montos m,nerales

    Calcarenitas

    ROCAS Grano

    0

    AreniscasCALCAREAS medio

    u,

    O

    0.06

    Limotita (50 % de

    CALIZAS

    Grano

    rt

    pariculas finas)

    Calcilimolto

    finov

    Creto

    DOLOMIA

    -

    Grano

    0

    00`

    Fangolito

    o

    Argilita (50 % de o

    porticulas muy finas)

    Calcilutito muy

    fino

    ROCAS SILICEAS

    Pedernal

    ROCAS ORGANICAS

    VIDRIOS

    AMORFOS

    Carbn

    TABLA 2.2.-CLASIFICACION DE LAS ROCAS SEDIMENTARIAS

  • 2/8 INTRODUCCION A LA MECANICA DEROCAS

    a actuar sobre la roca sedimentaria ya constituda.esfuerzo cortante o al rozamiento).

    Posteriormente a la existencia de las rocas - Larespuesta de zonas amplias del macizo

    gneas y sedimentarias, los fenmenosmetamrficos (algunos metros cbicos) en que influyen las

    pueden introducir cambios importantesen su propiedades del material base y la presencia de

    'mineraloga, fbrica y estructura, con lo que lasdiscontinuidades, determinada mediante

    propiedades fsico-qumicas se alteran ensayos "in situ",lo cual no siempre es posible

    considerablemente. Generalmente estos materiales -por su coste y medios para realizarlos- hasta

    pueden caracterizarse segn su exfoliacin, que puede llegar a emprender la obra en cuestin.

    no existir, en cuyo caso se presentan masivas como las

    cuarcitas y los mrmoles. Por el contrario, los esquistosPara determinar el estado inicial de tensiones,

    y pizarras presentan claros aspectos hojosos. En la adems de la utilizacin de tcnicas que caen dentro de

    Tabla 2.3. se ha reproducido la clasificacin de la laeg la tectnica y que sesalen del marco de esta

    (1981). exposicin, se utilizan ensayos "in situ", basados

    principalmente en la llamada " liberacin de tensiones".

    2.2.2. Definicin del estado del macizo Es decir , tratan de observar las deformaciones inducidas

    en la roca por relajamiento local de las tensiones

    Para definir el estado del macizo rocoso, naturales, provocada artificialmente en la zona de

    operacin previa a cualquier anlisis ingenieril que medida . Despus se pasa a evaluar el estado tensional

    quiera hacerse para prever su respuesta frente a la que corresponde a ese relajamiento , mediante el

    realizacin de obras, es preciso definir: conocimiento previo de los parmetros de

    deformabilidad del material base u otra hiptesis

    - Su estado inicial de tensiones, que deben complementaria.

    contemplar el tensor de tensiones actual, con

    las debidas orientaciones de las tensiones En la prctica se realiza midiendo dichas

    principales . Los efectos de la tectnica local y deformaciones y pasando a las tensiones mediante las

    generalizada puede haber hecho cambiar - hiptesis de la elasticidad lineal, previo conocimiento de

    incluso en materiales sedimentarios- la los mdulos elsticos (de Young, y de Poisson)

    naturaleza hacia el que la tensin principal determinados en laboratorio mediante ensayos de

    mayor sea vertical, lo cual es corriente en compresin sobre muestras de roca. Las mediciones se

    suelos, pero no en materiales ms rgidos como efectan en el interior de sondeos o de huecos

    las rocas . Los plegamientos , fallas, etc ., realizados con sierras o elementos similares.

    pueden haber introducido cambios tan

    importantes como para que la tensin principal Dado que el problema es tridimensional y, en

    mayor sea quasi - horizontal y unas tres o cuatro general , anisotrpico , no es fcil contar con soluciones

    veces mayor que la vertical (p.e., en las tericas, por lo que es habitual introducir cierto nmero

    pizarras borrosas de la Cuenca del Guadiato , de simplificaciones que pueden suponer serios errores

    Crdoba ). en la interpretacin de las medidas , supuesto que stas

    sean verdaderamente representativas.

    El estado de fracturacin, con definicin de las

    diferentes familias de discontinuidades Pueden utilizarse varias tcnicas:

    existentes en cada zona representativa, con

    definicin de orientacin y buzamiento, a) Medida de deformaciones en el fondo de un

    separacin media , estado d e las taladro, originadas por la liberacin de

    discontinuidades (rugosidad, relleno, presencia tensiones en un cilindro de roca. En la fig. 2.4.

    de agua, alteracin de los bordes), etc. aparece un esquema de este procedimiento de

    medida. Leeman (1970) da, para calcular las

    Las propiedades mecnicas y fsico-qumicas tensiones de la roca, u,,, o, rx, que actan en

    del material base (como resistencia a el plano de medida las siguientes expresiones

    compresin simple, velocidad de transmisin (que son aproximadas al caso real):

    de ondas, etc) y de las diaclasas (usualmente,

    representadas por su rugosidad y resistencia al

  • 2/9

    E e + z El - z

    ay

    2 1 v 1- v

    fdetomorficoGrupo genetico

    FoliadaMasiva Estructuro habitual E r 2 g3 _ (e, + e2) 1

    Txy= IL

    Cua 7Zo, feldespotosCuarzo, feldespotos 2 1 - v

    micas y mineroles micos, minerales

    Cornposicion

    oscuros oscuros y carbonotos

    Brecha tectonica Gmono E en que E y v son los mdulos de Young y Poisson de la

    grueso

    E

    roca, el y c2 las deformaciones unitarias medidas en las

    MIGMATITAS Corneanor

    60direcciones x e

    69ormcl

    y, yE3 la deformacin unitaria en una

    Grano o

    direccin que forma 1350 con las x e y. Es necesario

    Gv---lsGronulitc

    grueso

    c

    realizar tres series de medidas en tres sondeos que

    Cucrzita 2 0

    ESQUISTOGrano

    partan de un mismo punto.

    1 medio

    Anf'bo.ita

    0.06 b) Medida de deformaciones con clula Ir/axial

    FILITAGrano

    irpor liberacin total en sondeos. En este

    fino

    sistema se trata de medir, mediante una sonda

    PIZARRA

    Grano

    0.002- ocilndrica, las deformaciones de un testigo de

    Mlanitamuy

    E

    roca en varias direcciones, al mismo tiempo,

    fino

    consecutivas a la liberacin tensional seguida

    mediante reperforacin. En la fig. 2.5. se ha

    Tabla 2.3.- esquematizado el proceso de medida. Es

    necesario, en base a la formulacin terica

    utilizada, medir en tres puntos (cuyos vectores

    forman ngulos con el que define la posicin

    del primero de fl /2 y 5f/4, con rosetas

    provistas de bandas extensomtricas. Se

    obtiene as nueve medidas de deformaciones

    oI PEREORACION DE UN SONDEO EN ELunitarias, e; que permiten obtener las seis

    MACIZO ROCOSO

    componentes del tensor de tensiones (o,,, a ,SONDEO DE 0 60mm

    czr 4 .... o=, T., Tu,, r0,) y conocer los posibles errores de

    VARILLA CONTACTOS

    medida.

    '.' b15 INSTALA EL ' DOORSTOPPER.

    iry-,, " \ EMPUJANDO EN LA ORECCION c0 -

    Sin

    r'

    ((

    RRECTAT PPESgNANDONASTA LA S embargo la formulacin matemtica a

    TOMA OE LA LECTURA INICIAL.

    MUELLE PARA DAR PEGAMENTO

    emplear debe de tener en cuenta la presencia

    PRESION CONSTANTE

    de la inclusin o sonda, lo que no es fcil. Slo

    OSE QUITA EL ~ILLAJE T EL D15-

    POSITIVO DE LECTURA.OUEDANDO s i sta es "blanda

    "

    o

    "

    flexible" puede ser

    LA CABEZA DE MEDIDAENCOLADA

    AL EXTREMO DEL SONDEO ,

    relativamente aplicable el mtodo sin gran

    error.

    .... .. e, h.-..>w...a.

  • 2/10 INTRODUCCION ALA MECANICA DE ROCAS

    comprobar los resultados obtenidos.

    i wU

    -MOLE ELCTRICO

    ONDEO GENERAL

    i

    (o) SONDEO DE DIAMETRO N.

    7 43 c m

    /./,\.

    ORIFICIO DE INSTALACION

    G i^

    ' ' `CEMENTO EPOXIOO

    ll

    o

    -CILINDRO DE ARALDIT

    (b) SONDEO DE 0 E. PERFORADO EN LA ZONA

    DE MEDIDA

    oAISONDEO PARA LIBERAR LAS TENSIONES

    Fig. 2.6.- Esquema de la tcnica desarrollada

    ) )SR

    por el L.N.E . C. para medida de tensin

    2 2 4 con clula triaxial adherida a

    la roca ( Rocha y Silverio, 1969)

    d) Mtodo de fracturacin hidrulica. Puede(c) INSTALACION DEL TORPEDO DE MEDIDA CON TRES

    ROSETAS DE MEDIDA DE DEFORMACIONES .

    decirse que este procedimiento est basado en

    LECTURA INICIAL

    las tcnicas utilizadas en el amplio marco de la

    industria petrolfera. Consiste en presurizar

    02hidrulicamente una zona de un sondeo,

    debidamente sellada con anterioridad, hasta

    alcanzar la fractura de la roca; en ese

    momento se sigue bombeando para abrir y

    (d) SOBRE PERFORACION EN LA ZONA DE DIAMETRO Es

    extender la fractura o fisura; despus se

    disminuye la presin y con algn dispositivo se

    determina la orientacin y posicin de la

    fractura , por ejemplo , con gomas inflables

    provistas de pigmentos especiales que

    (e) EXTRACCION DEL TESTIGO Y LECTURA DE LAS

    "registran" lo sucedido en la zona de ensayo,

    DEFORMACIONES con cmaras fotogrficas , cmaras de

    televisin, etc.

    Fig. 2.5.- Tcnica de sobreperforacin , lectura deTabla 2.4.

    deformaciones con torpedo de lectura triaxial

    (Leeman y Hayes , 1966)Apertura Nomenclatura Se aplica a

    < 0,1 mm Muy cerradas

    preferiblemente con una sierra (Rocha y otros , 1966);

    0,1-0,55 mm Cerradas

    0 , 5 2,5 mm Moderadamente ancha Juntas

    despus se introduce un gato plano en la hendidura y se

    2,5- 10 mm Ancha

    aplica a la roca presin hasta que las distancias entre

    10 mm Muy Ancha

    los puntos de referencia sea igual a la primitiva. Se

    considera que, as, se mide la presin inicial de la roca1 - 10 cm Grande Discontinuidades

    normal al gato plano . Es necesario efectuar tres 10-100 cm Muy Grande lavadas y juntas

    hendiduras en diferentes direcciones y, en cada una de > 1 m Cavernosa d e s p l a z a d a s p o r

    ellas, ir efectuando la perforacin y el ensayo con esfuerzo cortante

    diferentes profundidades de penetracin , a efectos dey movimientos debidos

    a traccin

  • 211 1

    REFERENCIA

    a)IMPLANTACION DE REFERENCIA

    Y

    1 - MEDIDA DE LAS DISTANCIAS Li

    T- T- T- T

    (-

    i-

    b)EJECUCION DE LA HENDIDURAEN LA

    ROCA. LECTURA DE LAS DISTANCIAS L

    HENDIDURA

    c) COLOCACION DELGATO PLANO Y

    W APLICACION DE RRESIONHASTA OUE

    LAS LECTURAS L" SEANIGUALES A Ll

    MANOMETRO

    OMBALl B

    Fig. 2.7 .- Medida de tensiones por el mtodo del gato planto ( Rochet, 1976)

  • 2112 INTRODUCCION A LA MECANICA DE ROCAS

    ESCALA DE SEPARACION

    NOMBREOBSERVACION TIPICA

    CAUSA PRINCIPAL

    5cm

    MICROF SUBAS MUESTRA DE LARO< 0,23 cm

    ALTERACION Y FRACTURA

    R

    POR TRACCION

    AroRlo

    PUEDE TOMARSE COMO UNA CARACTERISTICADEL SLOOUE DE ROCA)

    50Cm

    DI$YUNCIONE5,

    1

    J_

    DIACLASAS DE ESTRA-

    TIFICACION

    RLOOUE DEDE 0,25 A 5 m FRACTURA DE TRACCION

    CLIVAJE

    ENSAYO

    FOLIACION

    5 m

    E 11CAVA[ IOH DE Scm A 3

    FR"CTUAA DE TRACCION Y

    (A) DIACLASAS A

    ROTURA POR CORTANTE

    EXPLORATORIA

    (S) VETAS DE ARCILLA

    e

    PEOUENAS FALLAS J .-I

    ZONAS TRITURACAS

    EXCAVACION ,)E 5 A 50 m ROTURA POR CORTE

    i ERMINADA

    ZONAS CONTADAS

    50m ROTURA POR CORTE

    (4) PROPUESTA POR EL PROF TOR BREKKE , UNIVERSIDAD OE CALIFORNIA , SERKELY

    A

    Fig. 2.8 .- Clasificacin de las discontinuidades segn su escala'',

    Para definir el estado de fracturacin se acude, plano de proyeccin. As, cada plano o discontinuidad

    en primer lugar, a definir cada tipo de discontinuidad, queda representado por un nico punto.

    segn su escala (fig. 2.8) y apertura (Tabla 2.4), as

    como por su orientacin de cada familia de Tomando los datos de muchas discontinuidades

    discontinuidades. Ello se consigue con las tcnicas de pueden obtenerse sobre el plano de proyeccin sus

    la proyeccin esterogrfica, bien en su versin de "igual distintas marcaciones o representaciones, para pasar a

    ngulo", bien en la de "igual rea" (fig. 2.9). En representar zonas de diferente acumulacin de polos y,

    Ingeniera Civil suele utilizarse ms habitualmente la as, destacar los polos ms representativos de las

    primera de ellas. As, el plano representativo de la discontinuidades (fig. 2.10).

    discontinuidad se representa por su interseccin con la

    esfera auxiliar de proyeccin, o ms simplemente por su Adems deben, de cada familia, estabicer el

    polo: Interseccin de la esfera con una recta peril de rugosidad medio representativo. Ello puede

    perpendicular al plano en cuestin y que pasa por el hacerse utilizando la tabla de perfiles tpicos (fig. 2.11)

    centro de la esfera, proyectado posteriormente sobre el dada por Barton y Chabey (1977). En dicha figura se

  • 2113

    o)

    zENIrb)

    PC SRTOEraECEO

    UON

    RAFI CA DE I \PROT ECCIp I+

    ESTERCOG RnfICA \ \\

    UN CIRCUL I

    DEL POLO

    //t ,. \\R\

    I\

    Uaty LO uexlu0

    /'/I POLO

    `\ \`

    CIRCULO

    c)

    P r

    !R COI J3/2

    01P

    PLANO DE PaOYECCION \\\\

    J'

    -

    \ \\ CMISFCRIOINFERI

    OR

    D

    INFERIOR DE

    REFERENCIA

    POLO

    jcrlc' I

    PROYECCION ESTEREOGRAFICA

    PLANO DE PROYECCION

    n

    (i

    /

    - y_A 1

    I{ ` h HEN+ SFER+O

    VII -a

    Nf ERIOR DE

    . REFERENCIA

    POLO

    _ 171/

    PLANO HORIZONTAL -

    PROYECCION EQUTAREA

    2 R Cosl f3/2 r

    n

    Fig. 2.9.-Proyeccin estereogrfica y

    equirea

    incluyen los valores delIndice JRC definido por Barton

    Y, por ltimo, como ya seha indicado,

    para calificar la rugosidadde la diaclasa (fig. 2.11).

    frecuencia de separacin, presenciade agua, existencia

    de rellenos, alteracin delos bordes, etc.

  • 2/14 INTRODUCCION A LA MECANICA DE ROCAS

    los testigos de roca que constituyen el macizo, o sea,

    el material base y de diferentes discontinuidades para

    1

    centrar el problema general del comportmiento general

    TYPICAL 6000HN155 P 90 rlLr1JRC

    del macizo, en funcin de su naturaleza y propiedades

    0-

    2 tenso-deformacionales e hidrulicas intrnsecas. La

    unin de' ambos anlisis de propiedades en laboratorio,

    -- - - - - - -- o sea , de los del material base y de las

    z { ' - 4 discontinuidades , puede permitir, en primera

    aproximacin , junto con los datos de campo sobre

    3

    morfologa , fracturacin , estratigrafa, etc, elaborar un

    modelo suficientemente representativo del macizo

    rocoso que permita analizar los problemas ms

    comunes.

    5 { {a-

    ,o De ah el papel de los ensayos de laboratorio en

    los que cada tipo de prueba debe considerarse como

    una parte de un propsito general, no como un anlisis

    I I 10 " final o como la medida directa de una propiedad del

    macizo rocoso.

    A continuacin se resumen los ensayos de

    laboratorio en los que cada tipo de prueba debe

    8 f- { 14 16 considerarse como una parte de un propsito general,

    --- no como un anlisis final o como la medida directa de

    16-18una propiedad del macizo rocoso.

    A continuacin se resumen los ensayos de

    i

    le - 70

    laboratorio habituales en la Mecnica de Rocas -en la

    forma que se llevan a cabo en Espaa principalmente-,

    ,o a efectuar sobre muestras de rocas y que, por tano, se

    refieren generalmente al material base.

    Como punto de partida puede considerarse el

    Fig. 2.11 .- Perfiles tipicos de rugosidad para el rango

    de realizar una adecuada clasificacin de los ensayos de

    de coeficientes de rugosidad de juntas

    laboratorio , no slo por la importancia de orden

    acadmico que ello encierra , sino por el hecho de

    agrupar ensayos que tengan anlogo propsito , aunque

    En cuanto a las propiedades mecnicas del

    no sean constitutivos sino complementarios, y, sobre

    material base y los ensayos " in situ" sern descritos

    todo, para establecer su rango, a fin de no dar a cada

    con detalle en el apartado siguiente .

    ensayo sino la impo rtancia que realmente merezca.

    2.3. PROPIEDADES MECANICAS DE LAS ROCASPara poder considerar estos problemas

    generales se han considerado cinco grandes grupos de

    2.3.1. Ensayo de laboratorioensayos de laboratorio:

    a.- Tpos de ensayos- Ensayos de identificacin , que tratan de

    conocer la naturaleza de la roca y establecer su

    La resistencia del macizo rocoso y la de la roca

    estado natural aparente.

    matriz no son independientes una de otra , sino que

    resultan relacionadas a travs de la textura del macizo

    Ensayos de clasificacin , que intentan

    y del importante factor que constituyen las juntas oestablecer una idea general del

    discontinuidades como ya indic Jimenez Salas encomportamiento de la roca, en relacin a

    1968. Resulta importante el estudio en laboratorio deescalas de valores prefijadas empricamente.

  • 2115

    Ensayos de resistencia y deformacin, que f) Anlisis mediante microscopio petrogrfico, de

    tratan de cuantificar los parmetros tenso- lente binocular, de 20-30 aumentos como

    deformacionales. Algunos de estos ensayos se mximo y bajo poder de reolucin,

    utilizan tambin como clasificacin del complementando con el uso de efectos

    material. birrefringentes para el estudio de orientaciones

    preferentes en lminas delgadas de roca. En

    Ensayos de permeabilidad , con los que se general , permite establecer la naturaleza

    pretende conocer el grado de dificultad del mineralgica, textura, distribucin aproximada

    paso del agua a travs de la matriz rocosa . de componentes , orientaciones, etc.

    Los grupos seguno a cuarto , diferenciados por g) Observacin mediante microscopio electrnico,

    su propsito y rango , corresponden al problema general particularmente con reflexin tipo "scanning",

    de establecer la respuesta del macizo rocoso frente a que permite establecer ms claramente las

    las acciones que alteran su equilibrio secular . En ellos orientaciones preferentes , las microfisuras de

    puede considerarse incluidos los ensayos que se hacen los cristales, el grado de meteorizacin, etc.

    sobre roca matriz y los que se realizan sobre (Montoto y Esbert, 1976).

    discontinuidades.

    h) Utilizacin de tcnicas de difraccin de Rayos

    _ Adems se realizan otros ensayos de X para analizar de forma muy adecuada la

    laboratorio , los de alterabilidad a examinar ms orientacin cristalina , determinacin de

    adelante . minerales arcillosos, proporcin, etc.

    b.- Ensayos de identificacin Con estas tcnias , completadas con anlisis

    qumicos , si es conveniente , puede conocerse el estado

    Se pretende con este grupo de ensayos el incial, la naturaleza cristalgrafica y mineralgica de la

    establecer la composicin de la roca, su estructura , roca, as como su textura , microfracturacin, etc.

    intrusiones , orientaciones preferentes , dislocaciones o

    discontinuidades , etc. Puede recurrirse a las siguientes c.- Ensayos de clasificacin

    tcnicas:

    Se pretende con este tipo de ensayos

    a) Reconocimientos y descripciones " de visu" , establecer una cualificacin del material , de acuerdo

    que permiten examinar detenidamente los con diversos criterios semiempricos , que intentan

    testigos de roca , con objeto de distinguir clasificar la roca desde los estados ms sanos y

    diferentes materiales , grados generales de resistentes posibles a los ms alterados y dbiles.

    meteorizacin , discontinuidades visibles y su

    espaciamiento , zonas de oxidacin , etc, lo que, Estos criterios habitualmente se fijan con base

    en definitiva , permite establecer las zonas en los resultados de uno o dos ensayos (de resistencia

    representativas de los testigos, las que deben o deformabilidad), por lo que estas clasificaciones

    estudiarse ms profundamente , las destinadas deben considerarse como aplicables slo al material

    a los diferentes ensayos de tipo mecnico , etc. base , hecho que a veces se olvida y se extrapola al

    conjunto rocoso . Ello entraa un importante error en la

    b) Medida de la porosidad ( relacin entre el utilizacin de clasificaciones con parmetros

    volumen de huecos total y el volumen total de representativos de las propiedades de la roca matriz y

    slidos ), normalmente determinada por del macizo rocoso (orientacin de discontinuidades,

    mtodos de saturacin . espaciamiento , etc), como las clasificaciones

    geomecnicas ), puede ser aplicada a dicho macizo.

    c) Peso especfico real y aparente

    Tipos de ensayos:

    d) Contenido de humedad

    a) Determinacin del ndice de calidad IQ, a partir

    e) Absorcin de agua, factor muy importante, de la velocidad de propagacin de ondas

    pues da una idea sobre el grado de longitudinales V en testigos cilndricos de

    meteorizacin o fisuracin por comparacin de roca. Dado que V, depende de la porosidad,

    muestras del mismo material), etc. principalmente por la presencia de huecos,

  • 2/16 INTRODUCCION A LA MECANICA DE ROCAS

    discontinuidades , fisuras , etc. se trata de establecer el b) Obtencin de la resistencia a compresin

    valor IQ como : simple, con medida o no de la deformabilidad.

    V

    En este ensayo la probeta de roca ha de tener

    IQ =

    1

    x 100 forma cilndrica , con una relacin

    VIS

    altura/dimetro del orden de 2 a 2,5, con el eje

    en la direccin en que se efecta la carga. Se

    en que V,' es la velocidad mxima de propagacin de

    requiere que las dos claras planas sean

    ondas en la roca o material base sano , sin fisuras ni

    paralelas entre s, con una tolerancia que

    huecos . En la Tabla 2.5., aparecen unos valores medios

    puede fijarse en que la mxima desviacin de

    de Vi* para diferentes tipos de rocas (Fourmaintraux ,la distancia entre ellas sea de 25 centsimas

    1976) que pueden tomarse como referencia general .

    de milmetro para probetas de 5 cm de

    Con este ndice o con la porosidad , n, puede calificarse

    dimetro . Ello obliga a un pulimento adecuado

    la roca de acuerdo con los criterios de la fig . 2.12.

    de esas caras planas , pues si no el estado de

    tensiones en la probeta puede ser muy irregular

    Tabla 2.5.- Velocidades mximas medias de propagacin

    y llevar a resultados inferiores a los reales.

    de ondas longitudinales en los principales

    tipos de rocas

    Habitualmente el ensayo se realiza controlando

    TIPOS DE ROCAS V,' MEDIA

    la deformacin , de forma que la rotura se alcance en

    m/s

    unos 15 minutos (segn recomienda la A.S.T.M).

    Gabros (Rocas silicatadas bsicas ) 7000

    Tambin es corriente el medir la deformabilidad de la

    Basaltos 6500 a 7000probeta durante el ensayo, al menos en la direccin

    Calizas 6000 a 6500 longitudinal del cilindro de roca . Los diagramas tensin-

    Calizas Dolomticas 6500 a 7500 deformacin (v - e) que se obtienen pueden adoptar

    Gres y Cuarcitas 6000diversas formas (fig. 2.13), lo cual permite tener una

    Granitos y rocas granticas 5500 a 6000primera idea del tipo de compo rtamiento del material:

    segn contenido en doloma

    elstico, elasto - plstico, etc.

    TIPO 1 ELASTIC C, TIPO II 11

  • 2117

    La deformabilidad de la probeta puede medirse

    con bandas extensomtricas pegadas a su superficie La resistencia a compresin simple, q,,,

    lateral, o con extensmetros referidos a las bases de la obtenida como anteriormente se ha indicado, seutiliza

    muestra. Los extensmetros externos incluyen en su para clasificar la roca matriz de acuerdo concriterios

    medida el posible aplastamiento de las bases , como el de Hoek y Bray (Tabla 2.6). o como el deDeere

    irregularidades superficiales, etc. En la fig. 2.14 se ha y Miller (fig . 2.16). En este ltimo se incluye tambin el

    reproducido el resultado tpico de un ensayo con el mdulo de deformacin o de Young medido en el

    doble sistema de medida. ensayo.

    Los ensayos de las figuras 2.13. y 2.14 c) Ensayo decarga puntual, descrito por Broch y

    corresponden a prensas flexibles, que no continuanFranklin (1972), en el que una probeta

    midiendo al alcanzarse la rotura. En la fig. 2.15 puede cilndrica se comprime entre dos puntos

    verse el resultado de un ensayo con prensa rgida. situadosen generatrices opuestas (fig. 2.17).

    El ndice del ensayo, l se define como: I, =

    PID2, siendo P la carga de rotura y D el

    dimetro del testigo. Normalmente se utiliza el

    ndice le correspondiente a D = 50 mm. Este

    ensayo, por su facilidad de realizacin que

    incluso permite llevarlo a cabo en el campo,

    puede ser utilizado ampliamente para obtener

    o----0.caL < o. c.rto o1

    2 S S f70 ]00x000 2000 *0001.

  • 2/18 INTRODUCCION A LA MECNICA DE ROCAS

    Tabla 2 . 6.- Clasificacin aproximada de suelos coherentes y rocas ( Hoek & Bray 1977)

    RESISTENCIA A

    N DESCRIPCION COMPRESION SIMPLE EJEMPLOS

    1 brn2 Kg/cm2 MP.

    Si Suelo muy blando < 5 < 0,4 < 0,04

    S2 Suelo blando 5-10 0,4-0,8 0,04-0,08

    S3 Suelo firme 10-20 0 , 8-1,5 0,08-0,15

    S4 Suelo rgido 20-80 1,5-6,0 0,15-0,60

    SS Suelo muy rgido 80- 150 6- 10 0,6-1,0

    R1 Roca muy meteroizada 150-3500 10-250 1 -25 Creta , Formaciones

    (Se rompe con martillo y se corta salinas

    con cuchillo)

    R2 Roca moderadamente meteorizada 3500-7500 250 - 500 25-50 Carbn , Esquistos,

    (Se corta con cuchillo con dificultad ) Limolitas

    R3 Roca moderadamente dura 7500- 15000 500- 1000 50-100 Arenisca , Pizarras

    (No se corta con cuchillo , se araa

    con punta de martillo)

    R4 Roca dura 15000- 30000 1000-2000 100-200 Mrmol , Granito,

    (Se rompe con un golpe firme de Gneis

    martillo)

    R5 Roca muy dura > 30000 > 2000 > 200 Cuarcita , Dolerita,

    (Requiere muchos golpes de martillo Gabro , Basalto

    de gelogo para ser rota)

    Generalmente se obtiene una buena correlacin

    entre el ndice Is y la resistencia a compresin simple,

    qu, relacin que puede escribirse como : qu = f.., en el

    que el factor f vale 23 para D = 50 mm, segn

    Beniawski . En Espaa , para rocas blandas y medias, f

    F. r.o .. . ISOI.M N,m

    puede bajar a 15-18 . En la fig . 2.18 se ha reproducido = ' 6 1

    la relacin dada por Broch y Franklin ( 1972) para

    fi., M.C.. I Muy P , IE.,. m,,mtn

    clasificar la roca a partir de los resultados del ensayo deMu

    i

    A ,

    carga puntual . A veces se realiza el ensayo sobre

    fragmento de roca irregulares , pero en ese caso los I j

    resultados pueden tener apreciable dispersin .

    d) Determinacin de la dureza Schmidt, con el i

    martillo asr denominado . Este resultado se ="r-""'"r'' "I"''

    fi ,,,n,n.M.,.,TR:,,.n ,.

    oo

    puede correlacionara con la resistencia a

    p,,,n,..,,,mo,.,,n., MH,m2

    compresin simple.

    e) Ensayo de traccin directa , en el que una

    Fig . 2.18.- Clasificacin de la roca a partir del ensayo

    probeta cilndrica o quasi -cilndrica se pega a

    de carga puntual ( Broch y Franklin, 1972)

  • 2119

    probeta cilndrica , en la que la altura H puede

    ser pequea respecto al dimetro, D (de 0,5 a

    1), se carga a compresin a lo largo de dos

    generatrices opuestas . El estado de tensiones

    producido origina la rotura de la probeta en el

    dos cabezales , mediante resinas, sobre los que se plano de carga 8fig. 2.1 9.b). Las placas como

    efecta la traccin . En otras ocasiones la probeta lleva las que se aplica la carga deben estar fijas y lo

    unos ensanchamientos extremos que se solidarizan al ms paralelas posible.

    sistema de traccin (fig. 2.19 a ). Estos ensayos pueden

    dar buenos criterios de calidad, aunque son difciles de La resistencia a traccin , v,,, se obtiene con la

    realizar de forma adecuada , tanto por el problema de expresin:

    tallar las probetas de forma especial , como por el

    asegurar un correcto entoldado de la probeta a los

    CF

    2P

    cabezales a traccin . eb -7tDH

    en que P es la carga total de rotura aplicada.

    Bastidor de caros

    Testioo

    D

    ManmetroMordazas

    Gato

    Eje vert i cal

    Muestra de roca

    Bomba

    bidreulica 1 1/4 cm

    a) Esquema del montaje para realizar el en.

    sayo.

    2 1/2 cm

    Carpa P

    Fig. 2.19 .a.- Ensayo traccin simple directa

    %

    rn

    1.SD

    Carga total =P

    p

    Induce de cerca puntual IS =

    D

    2Sueerticie de

    roture

    b) Detalle de aplicacin de carga y clculo

    2 P

    del indice del ensayo ,

    Is' Otb =

    ?DL

    Fig. 2.17 .- Ensayo Franklin o de carga puntual 7-

    ( Point Load Test)

    L

    f) Ensayo de traccin indirecta o "Brasileo ",

    Fig. 2.19 . b.- Ensayo traccin indirecta o ensayo "Brasileo"

    desarrollado inicialmente para obtener la

    resistencia a traccin de hormigones. En l una

  • 2/20 INTRODUCCION A LA MECANICA DE ROCAS

    El resultado depende esencialmente de la resistencia de "rgidas" que permiten conocer el

    la red cristalina y de sus defectos internos, por lo que comportamiento tenso-deformacional ms all

    el ensayo, a nuestro juicio, puede utilizarse como un del umbral de rotura, o bien permiten realizar

    elemento adecuado para clasificar la resistencia de la ensayos de fluencia bajo tensin constante. La

    roca, ms que como representativo de su resistencia a resistencia a compresin simple es un

    traccin. Dado que las caras planas de la probeta no parmetro muy utilizado como caracterstica

    necesitan de una preparain especial, el ensayo no se resistente del terreno frente a problemas de

    ve afectado tan considerablemente por la preparacin excavacin de tneles, resistencia de pilares

    como el de compresin simple (fig. 2.20). mineros, voladuras, etc. Sin embargo, en estos

    problemas el parmetro qu tiene un sentido

    En la fig. 2.20 se ha representado el intervalo ms cualitativo que cuantitativo, por lo que

    de variacin definido por Coates para la puede ser sustituido por alguno de los

    relacin entre la resistencia a compresin parmetros ya comentados anteriormente (I

    simple y la resistencia a traccin en el ensayo ab, etc).

    brasileo. Esta relacin, segn Coates, vara

    aproximadamente de 10 a 25. As lo indican c) Determinacin del mdulo de deformacin o de

    los resultados de diferentes ensayos reales Young, por mtodos snicos o dinmicos,

    espaoles representados en la fig. 2.20. Parece midiendo la velocidad de ondas que atraviesan

    adecuado considerar, partiendo de la la probeta. Con procedimientos adecuados

    clasificacin de Defre y Miller, el siguiente puede determinarse tambin el mdulo

    criterio de clasificacin de rocas con rotura transversal. Generalmente el mdulo snico es

    frgil, a partir de ensayos Brasileos: del orden de un 25-50% mayor que le

    determinado estticamente. Cuanto ms dbil

    Resistencia (Kp/cm2) y fisurada es la roca 2.21 mayor es la

    diferencia.

    Muy Dbil 0-15

    Dbil 15 - 35

    d) Ensayo de compresin triaxial, en los que se

    Media 35 - 65

    Alta 65 - 100

    pretende en general, alcanzar el estado de

    Muy Alta 100

    rotura de probetas cilndricas, aplicando una

    tensin lateral, o3, constante y aumentando la

    tensin vertical, o,. Durante este proceso se

    d) Ensayos de resistencia y deformacinmiden las deformaciones de la probeta. En la

    fig. 2.21 puede verse el esquema de una clula

    El propsito de este grupo de ensayos es muytriaxial tipo Hoek, con bandas extensomtricas

    variado, pues mientras algunos tratan de determinarpegadas a la probeta para medir deformaciones

    principalmente parmetros resistivos (traccin, corte

    unitarias. Estos ensayos slo tienen inters, en

    directo, etc), otros pretenden establecer relaciones

    general, para trabajos a gran profundidad,

    tensin-deformacin en diferentes condiciones

    labores mineras, etc. Las clulas triaxiales

    (compresin simple, compesi6n triaxial, etc). Puedentambin se utilizan para hacer ensayos de

    considerarse incluidos en este grupo los siguientesequicompresin o compresin isotrpica, o bien

    ensayos:de consolidacin plstica como los realizados

    por S. Uriel en el actual Laboratorio de

    a) Ensayos de traccin, en sus versiones ya

    Geotecnia, el estudio del comportamiento de

    comentadas de traccin directa y "Brasileo",materiales cementados, como las pumitas,

    as como en la versin de flexo-traccin de 3

    hormigones, porosos, etc.

    4 puntos de carga (Roberts, 1977), poco usual

    en la prctica espaola.e) Ensayos de corte directo y de rozamiento en

    litoclasas, en los que se pretende determinar la

    b) Ensayo de compresin simple, concohesin y el rozamiento interior a lo largo de

    determinacin de la deformabilidad longitudinaluna superficie quasi-plana, bien sea testigo de

    y transversal, como ya se ha indicado. Cuandoroca o de una discontinuidad, (esto ltimo es lo

    se desea un reconocimiento mejor de la

    ms habitual e interesante). En la fig. 2.22

    deformabilidad se recurre al empleo de prensasaparece un esquema de montaje necesario para

  • 2/21

    C

    M

    cY Irf cm)

    c

    2000 1

    Ir'.trvDlO Ot \ Dr.bC O-

    25

    ot+n.ao aor C0-7 ES /

    Q Graneo aon ;.5lanc 1Fumafal; , t9'_61 ! /

    S.an;ta c Preomont IFum afan a, 14661

    X Mareas a ares oe Siria 1LTM.S1

    .- P2 er raS OIUFa : lfOUlft OSLO DC :(,T Ni

    JJJJI / Pll arl tS OIUI. a; 1i lfO Y .flOii080 I:TMI

    0 Lim olita ot Anoona ILTMS1 /

    20

    t 500 I

    Gran , lof vslmayo Iuritl, Daema , 976)`

    Caliza b cno .ae ce Vtian ,a (LTM.S) G /

    u/

    / 1 51

    1+i

    1000

    /c = 10 Qtb

    1 /

    1

    / z

    -T /

    - 500! fl,

    C

    020 t0

    60 E0

    Resistencia a traccin en ensayo aras,lt ! o, Oro (Kv/c-2)

    Fig. 2.20 .- Relacin entre resistencia a compresin simple y resistencia a traccin ( Oteo, 1978)

  • 2122 INTRODUCCION A LA MECANICA DE ROCAS

    realizar este tipo de ensayos: El testigo de roca etc, se ha utilizado mucho para determinar las

    queda sujeto a la caja de ensayo mediante un caractersticas de diaclasas con relleno o sin l,

    mortero de cemento, dejando en la parte habindose obtenido valores como los que se

    central de la caja, que es donde se aplica el reproducen en la Tabla 2.7.

    esfuerzo tangencia, la discontinuidad, a fin de

    que la rotura se produzca a lo largo de lla.

    Este esquema es el recomendado por la

    Sociedad Internacional de Mecnica de Rocas

    (I.S.R.M., 1974).

    Cab

  • 2/23

    (Montaje segn las recomendaciones de la I.S.R.M)

    Tabla 2 .7.- Resistencia al corte de diferentes discontinuidades con relleno (Hoek & Bray, 1977)

    RESISTENCIA DE PI CO RESISTENCIA

    ROCADESCRIPCION

    RESIDUALENSAYADO POR:

    c'Kgk' o'KgM,

    BASALTO BRECHAS CON ARCILLA 24 42RUIZ, CAMARGO

    MIDEA y NIEBLE

    BENTONITA CRETA 0.15 75UNK, SINCLAIR y

    CAPAS DELGADAS 0.9-1.2 12.17BROOKER

    ENSAYO TRIAXIAL0.8-1.0 9-13

    ESQUISTO ENSAYO TRIAXIAL0.2.7 e6.2 9 SINCLAIR y

    BENTONITICO CORTE DIRECTO0.3 e.5 BROOKER

    ARCILLAS ARCILLAS SOBRECONSOUOADAS 0-1.0 12-10.5 0 -0. 03 10.5- 18 SKEMPTON y PETLLY

    ARGIUTA ENSAYO TRAXIAL 0.6 32 SINCLAIR y BROOKER

    ARGIUTA ESTRATIFICACIONES

    0 19 .25 LEUSSINK y MULLER

    KIRCHENBAUER

    CARBONCON MILONITO ARCILLOSO (1 a 2,5 on l 0 . 11 -0 .13 18 0 11.11.5 STIMPSON y WALTON

    DOLOMITA ZONA ALTERADA 0.41 14 . 5 0.22 17 PIGOT y MACKENZIE

    DIORITA, GRANODIORIT

    A Y PORFIDO

    0 26.5 BRAWNER

    GRANITO DIACLASAS CON ARCILLA 0.1.0 24-45 ROCHA

    DIACLASAS CON LIMO 0 . 5 40NOSE

    ZONA TECTONIZADA 2.42 42EUDOKIMOV y SAPEGIN

    GRAUWACA 1 6 2 mm DE ARCILLA0 21 DROZD

    LIMOUTA CAPA DE 8 . DE ARCILLA 0 13 KRSMANOVIC y OTROS

    RELLENO ARCILLOSO (2 vn) 1.0 13-14 KRSMANOVIC B

    RELLENO ARCILLOSO (< 1 mm) 0.5-2 .0 17-21 POPOVIC

    LI.tOUTA. MARGA Y CON CAPAS DE LI GNITO 0 .0 30 SALAS y URIEL

    LIGNITO CONTACTO LIGNITO-MARGA 1.0 10

    LIMOUTA DIACLASAS 2 an DE ESPESOR 0 26 0 15.24 BERNAIX

    LIGNITO CONTACTO LIGNITO-ARCILLA 0.14-0.3 15-17 . 5 SCHULTZE

    MONTMORILLONITA3.0 14 0.8 11 EURENIUS

    0.18-0 . 2 7.6.11 . 5 - UNDERWOOO

    ESQUISTOS .CUARCITAS RELLENOS DE ARCILLA 03 .0.8 32 SERAFIN y

    V ESQUISTOS6.1.7.4 41 GVERREIRO

    CUARCITICOS38 31

    ESQUISTOS MUY LAMINADOS0.5 33 COATES. MC RORIE

    CUARZO -CAOLIN Y ENSAYOS TRIAXIALES REMOLDEADOS 0.42-0 .9 38-38 y STUBBINS

    PIROLUSITA

    queda muy influida por su rugosidad, tipo de relleno,

    espesor de relleno, etc. Estas caractersticas no slo

    influyen en el valor del ngulo de rozamiento aparente

    } sino en la forma de la respuesta (fig. 2.23 y 2.24).

    L ps

    f -

    1

    No fiffi.9

    ti I ' ^ Gr = l Ilin Iillin0

    1 .I 0._.._

    K

    0, (111,1

    IU

    Fig. 2.23 .- Resistencia tangencial . En funcin de la tensin

    normal, obtenida en ensayos de corte directo

    o rozamiento (SRM, 1974)

    n,.

  • 2/24 INTRODUCCION A LA MECANICA DE ROCAS

    Fig. 2.24 .- Relaciones ente los esfuerzos tangenciales dimetro 0 , 2 el dimetro de la probeta , tal como indica

    y normales para discontinuidades con diferentes la fig. 2 . 27. La filtracin radial se realiza bajo presin de

    espesores de relleno ( Rock y Brey , 1974) 1 Kp/cm2, en sentido divergente, y bajo 50 Kp/em2 en

    sentido convergente . El coeficiente:

    En el caso en que la rugosidad sea importante

    puede obtenerse una lnea de resistencia intrnseca muy

    curvada para tensiones muy pequeas ( fig. 2.23 y

    2.24), lo que puede conducir -al aplicar un criterio como

    el de Mohr-Coulomb, con envolvente recta - a hablar de

    una cohesin impo rtante , que a veces es tan solo

    aparente . As puede verse en el caso de la fig. 2 . 25. T

    z

    -

    Q

    tan

    Ello es debido a la dilatancia positiva que se produce I o

    . J

    para pequeas tensiones normales a la diaclasa que r

    habr en el caso rea l.

    C J

    7 , I C

    i

    \\\ I

    A

    T. o Tan

    a

    ate.. \ T St. ex,no on

    ,. '

    >

    5T004n dares

    z

    I , \\\\ ,

    i

    1 NORMAL $1 REOS o'

    _

    Fig. 2.26.- Relaciones simplificadas entre los esfuerzos

    normales y tangenciales para superficies

    \\\rugosas ( Hoek y Bray, 1974)

    -2

    \\\\\\/ .iI i

    K (5)

    0

    K.O. 1

    e 3 o s i T a - p

    TENSIONES NORM4LE5 ,

  • 2125

    puede utilizarse como un ndice de la fisuracin de la combinado con otros ndices.

    roca. En rocas porosas S es del orden de 1, pudiendo

    llegar a valores del orden de 500 en rocas muy Otra determinacin que puede hacerse en el

    fisuradas. interior de sondeos, ya hechos, es la de la

    permeabilidad, mediante el ensayo Lugeon,

    2.3.2 Ensayos In situ " normalmente repetido en tramos de 3 a 5 m de un

    mismo sondeo, desde su fondo hacia arriba. Para su

    Los ensayos que se realizan "in situ", tienen ejecucin, se colocan dos obturadores que limiten la

    como objetivo: zona de ensayos (o uno solo, por encima del fondo,

    cuando se ejecuta en su tramo inferior). A continuacin,

    - Afectar a una parte del macizo rocoso ms se inyecta agua a presin por medio de un tubo que

    representativa que la estudiada en laboratorio, atraviesa el obturador superior (fig. 2.29). Se mide el

    generalmente influyendo sobre el material base caudal que se puede inyectar al cabo de 5 o 10

    y sobre algunas diaclasas. minutos, para diferentes presiones de inyeccin. La

    presin usual de medida es de 10 Kp/cm2 y el resultado

    - Estudiar el estado de fracturacin real y cmo se expresa en unidades Lugeon (o sea el nmero de

    influye en el valor final de parmetros litros por minuto y por metro del tramo ensayado, ala

    determinados en laboratorio. presin indicada). La representacin de la curva caudal-

    presin (fig. 2.30) permite estimar la forma de respueta

    - Aumentar la superficie de ensayo, aunque solo de las diaclasas presentes en el tramo ensayado, ya que

    sea afectando a una discontinuidad, para que su transimisividad suele predominar claramente sobre la

    el ensayo sea ms representativo. del macizo. Sin embargo, como el propio ensayo induce

    deformaciones en el macizo y en las discontinuidades,

    Podemos distinguir: a) Los ensayos que se puede acentuar u originar fracturas, etc, los resultados

    hacen en sondeos mecnicos para determinar de estos ensayos pueden ser engaosos, por lo que

    propiedades puntuales o locales. b) Los que se hacen en puede ser ms representativo el empleo de ensayos de

    sondeos y entre sondeos -como algunas tcnicas bombeo en pozos de dimetro apreciable, controlando

    geofsicas- para determinar la respuesta de zonas la variacin de los niveles piezomticos en sondeos

    prximas a las perforaciones . c) Y los que se hacen prximos.

    aplicando directamente cargas a reas de terreno

    relativamente pequeas (sea uno a varios metros Entre sondeos, entre la superficie y un sondeo

    cuadrados) para reproducir ensayos tpicos de y entre varios puntos de la superficie pueden emplearse

    laboratorio pero con fragmentos del macizo rocoso ms tcnicas de tipo geofsico, como la ssmica de reflexin

    representativos. (para determinacin de zonas alteradas, tcnica muy

    utilizada para estimar las zonas a excavar con medios

    En primer lugar podemos distinguir la mecnicos y con expl