manual de Geologo y Minero
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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 ! /
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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
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1 NORMAL $1 REOS o'
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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