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DISEÑO Y CÁLCULO DE ESTRUCTURAS DE CIMENTACIÓN Y CONTENCIÓN MÓDULO 10. MECÁNICA DE ROCAS TEMA 15. MECÁNICA DE ROCAS
AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 1 de 16
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA CIVIL
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
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ÍNDICE
Página
1. INTRODUCCIÓN 2
2. ESTUDIO DE LA MATRIZ ROCOSA 4
2.1. DEFINICIÓN 4
2.2. CLASIFICACIÓN 4
2.2.1. Rocas Ígneas 4
2.2.2. Rocas Sedimentarias 5
2.2.3. Rocas Metamórficas 6
2.3. PROPIEDADES DE LAS ROCAS 6
2.3.1. Porosidad 6
2.3.2. Índice de absorción 6
2.3.3. Densidad 6
2.3.4. Dureza 7
2.3.5. Tamaño de grano 7
2.3.6. Resistencia a compresión simple 7
2.4. ALTERACIÓN Y METEORIZACIÓN DE LAS ROCAS 7
2.4.1. Procesos de alteración física 8
2.4.2. Procesos de alteración química 8
2.4.3. Escala de meteorización de la ISRM 8
3. ESTUDIO DE LAS DISCONTINUIDADES 9
3.1. CLASIFICACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES 9
3.2. FAMILIAS DE JUNTAS 12
3.3. PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES 12
3.3.1. Continuidad 12
3.3.2. Espaciamiento 12
3.3.3. Rugosidad 13
3.3.4. Apertura de la junta 13
3.3.5. Rellenos de la junta 13
3.4. GRADO DE FRACTURACIÓN (RQD) 14
4. CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA -RMR- 15
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1. INTRODUCCIÓN
La mecánica del suelo comenzó a entenderse como tal a raíz de Terzaghi, pero no
fue así con la mecánica de rocas, que empieza es estudiarse independientemente en
los años 50-60.
En el 1966 se crea la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM).
El estudio de la mecánica de rocas se intensifica a partir de las catástrofes de las
presas de Malpasset (Francia) y Vajont (Italia), y la necesidad de aumentar el
conocimiento en esta materia.
Aunque en un principio se estudiaba los macizos rocosos con la teoría del suelo,
finalmente se diferencia el estudio de suelo y rocas.
La mecánica del suelo estudia el comportamiento de un sólido (saturado) donde hay
una presión total descompuesta en intersticial y efectiva.
La mecánica de rocas, sin embargo, estudia el comportamiento de un sólido que ya
está roto, como un macizo rocoso (juntas).
El agua generalmente no condiciona el comportamiento, ya que las juntas suelen ser
bastante permeables.
El estudio de un suelo rocoso dependerá de dos aspectos:
Estudio de la matriz rocosa (geología)
Estudio del conjunto de discontinuidades (juntas)
En el estudio de las rocas se han hecho distintas clasificaciones geomecánicas,
siendo las dos más importantes:
RMR (Rock Mass Rating)
Q (Quality): se usa solo para comprobar la validez del RMR
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En un proyecto de una obra en un macizo rocoso, se debe proceder de la siguiente
forma:
Características geotécnicas del emplazamiento:
Reconocimiento geotécnico detallado (más que en suelos)
Ejecución de sondeos y ensayos de campo
Ensayos de laboratorio
Contraste de datos
Realización de un modelo geotécnico que incluya los datos obtenidos y
anticipe los posibles problemas y las causas.
Proyecto:
Cálculo de la estructura que se va a situar en el terreno.
Cálculo de las tensiones y deformaciones en el terreno y en la
estructura.
Control en las distintas etapas de obra:
Control del terreno durante la construcción, midiendo el
comportamiento del macizo durante el proceso de carga o de descarga.
Control del terreno después de la construcción.
Las aplicaciones de la mecánica de rocas serán:
Aplicaciones a nivel de superficie
Cimentaciones superficiales
Cimentaciones profundas
Estabilidad de taludes
Cimentaciones en presas
Aplicaciones en profundidad:
Túneles
Cavernas
Aplicaciones en minería
En superficie
En profundidad
Aplicaciones en la extracción de petróleo y gas
Estudios de sismicidad
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2. ESTUDIO DE LA MATRIZ ROCOSA
2.1. DEFINICIÓN
Material mineralógico duro y compacto que forma parte de la masa terrestre (duro y
compacto, a diferencia de los suelos).
Suelo: resistencia a compresión simple <0.6MPa
Roca: resistencia a compresión simple >2MPa
Intermedios: resistencia a compresión simple 0.6 - 2 MPa.
Los minerales que forman la roca podrán ser:
Esenciales o formadores de la roca.
Accesorios o añadidos, en pequeña proporción
2.2. CLASIFICACIÓN
2.2.1. Rocas ígneas o magmáticas
Se forman por la solidificación de un magma que puede contener volátiles y
gases.
Según el proceso de enfriamiento pueden ser:
Plutónicas o intrusivas: enfriamiento lento (en profundidad)
o Granito
Volcánicas o extrusivas: enfriamiento rápido (en superficie)
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o Basalto
Se clasifican además por su contenido en sílice SiO2, y por lo tanto
su carácter básico (+SiO2) o ácido (-SiO2):
Ultrabásicas (ultramáficas)
Básicas (máficas)
Intermedias
Ácidas (félsicas), son las más abundantes en superficie.
2.2.2. Rocas sedimentarias
Se forman por la meteorización de otras rocas que se van alterando o
destruyendo.
Dependiendo donde se depositan los sedimentos:
Depósitos residuales (se depositan in situ)
Son transportados por ríos, hielo, viento o mar.
A medida que se van depositando los sedimentos superiores compactan a
los inferiores, y estos se van compactando y en ocasiones cementando. Es
un proceso conocido como diagénesis.
El proceso de formación de los estratos puede ser variable, teniendo éstos
diferentes naturaleza y espesores en función del tipo de sedimentos que
recibe.
Se pueden encontrar elementos fósiles.
o Calizas, margas o areniscas.
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2.2.3. Rocas metamórficas
Cualquier roca producida por la evolución de otra anterior sometida a unas
condiciones de calor, de frio o de presión muy diferentes a las anteriores.
Se clasifican en zonas según el grado de metamorfismo alzancado.
o Pizarras, mármoles, cuarcitas y gneis.
2.3. PROPIEDADES DE LAS ROCAS
Las propiedades físicas y químicas de la roca varían en función del origen y de la
composición de las rocas.
Algunas de estas propiedades se pueden determinar mediante ensayos simples.
2.3.1. Porosidad
Es el porcentaje de huecos en la roca.
La porosidad en rocas suele ser más baja que en suelos. Y una porosidad
baja hace que algunos de los huecos de la roca sean inaccesibles.
Lo que nos lleva al concepto de porosidad eficaz, que es el porcentaje de
huecos accesibles.
Generalmente:
Rocas ígneas: porosidad baja
Rocas sedimentarias: porosidad alta
Rocas metamórficas: porosidad muy variable
2.3.2. Índice de absorción
Es un concepto que en mecánica de rocas se usa mucho.
Es la cantidad de agua que puede absorber una roca, es decir, los huecos
accesibles.
Es un ensayo más fácil de realizar que el de la porosidad.
2.3.3. Densidad
Dependerá del grado de saturación.
Diferenciaremos entre densidad saturada y seca.
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2.3.4. Dureza
La dureza de la roca define su resistencia a la abrasión.
Se mide por la escala de Mohs.
La uña (dureza 2-3) raya el yeso.
La moneda (dureza 3-4) raya la caliza.
La navaja (dureza 5) raya la caliza.
La sílice raya la navaja.
La dureza es muy importante en el trabajo de las rocas, ya que nos
cuantifica cual será el desgaste de las herramientas de trabajo.
Existen muchos ensayos para la obtención de la intensidad.
2.3.5. Tamaño de grano
Condiciona la dificultad ante la perforación o excavación.
Generalmente es una propiedad fácil de medir, aunque en algunos casos el
tamaño de los granos puede no ser uniforme.
2.3.6. Resistencia a compresión simple
Es una propiedad muy característica de las rocas.
Depende de varios factores:
Forma y tamaño de la probeta en el ensayo.
Velocidad de la aplicación de cargo en el ensayo.
Estado de saturación (muestra saturada resiste menos que la seca)
Tamaño del grano (roca de grano fino es más resistente)
Contenido de sílice y/o de carbonatos: resistente cuanto mayor es.
Porosidad/índice de absorción: resistente cuanto menor es.
2.4. ALTERACIÓN Y METEORIZACIÓN DE LAS ROCAS
La alteración de una roca puede ser debida a procesos físicos y/o químicos.
Es importante saber distinguir entre los siguientes conceptos:
Meteorización: cualquier alteración de la roca debida a la acción del clima, en
un nivel superficial.
Roca sana: no alterada.
Roca descolorida: cambia el color original de la roca.
Roca descompuesta: roca meteorizada con pérdida de cohesión, aunque la
fábrica del material está intacta.
Roca desintegrada: roca que se ha meteorizado con pérdida de cohesión,
hasta llegar a ser suelo.
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2.4.1. Procesos de alteración física
Son muy frecuentes en climas secos, independientemente que sean fríos o
cálidos.
Erosión por transporte: los trozos de roca van redondeándose y
fragmentándose.
por gravedad: fragmentos angulosos
fluviales: fragmentos menores y redondeados
oleaje: fragmentos mucho menores
Erosión por golpeo
Erosión por ciclos hielo/deshielo: de importancia en climas muy fríos
y de alta montaña.
2.4.2. Procesos de alteración química
Procesos bastante más frecuentes
Hidrólisis de los materiales silicatados
Disolución de los materiales carbonatados por ataque de aguas
ácidas que los transforman en bicarbonatados.
Hinchamiento o expansión de los componentes arcillosos de rocas
metamórficas o sedimentarias en rocas en contacto con el agua.
2.4.3. Escala de meteorización de la ISRM
Es una tabla confeccionada para granito y rocas similares, pero para rocas
muy distintas es de difícil aplicación.
Pizarras y esquistos: no existen los grados intermedios, ya que la
meteorización es más rápida.
Calizas: no se meteoriza sino que se disuelve.
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3. ESTUDIO DE LAS DISCONTINUIDADES
El macizo rocoso está siempre roto por juntas.
La palabra discontinuidad describe perfectamente lo que es, pero no es la palabra
usada.
La palabra más utilizada es juntas, pero también se pueden llamar diaclasas o
superficies de compartimentación.
3.1. CLASIFICACIÓN DE DISCONTINUIDADES
Según la clase geológica:
Rocas sedimentarias Planos de estratificación
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Rocas ígneas plutónicas:
Rocas ígneas volcánicas:
Rocas metamórficas:
Otros tipos de discontinuidades:
Estilolíticas: aparecen en calizas, son perpendiculares a la tensión mayor. Son
irregulares y están cerradas (no dan grandes problemas)
No son importantes por sí mismas, pero son útiles, porque si se han producido
significa que han sido sometidas a gran tensión, tensión que si ha
desaparecido muestra que se ha producido una gran erosión.
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Kink bands: aparecen en macizos de pizarra. Son específicas de deformación.
No dan grandes problemas.
Fallas: grandes roturas que separan dominios rocosos diferentes.
Son generalmente de origen tectónico.
Suelen estar acompañados por roturas satélites paralelas a ellas y cercanas.
Sus efectos son muy importantes en las obras públicas.
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3.2. FAMILIAS DE JUNTAS
a) Rocas plutónicas (granito)
b) Rocas sedimentarias en macizos fracturados pero no plegados (calizas)
c) Rocas metamórficas con una familia preferente de planos (esquistos)
d) Rocas volcánicas con juntas hexagonales por enfriamiento (basalto)
3.3. PROPIEDADES DE LAS DISCONTINUIDADES
3.3.1. Continuidad
Las juntas podrán ser:
Persistentes (continuas): peligrosas, pueden provocar
desplazamientos.
No persistentes (discontinuas): no tan peligrosas
Subpersistentes (intermedia): pueden provocar roturas. Aunque no
son continuas podrían unirse por algún sobreesfuerzo.
3.3.2. Espaciamiento
Es la separación entre juntas de una misma familia. Esta separación puede
ser muy variable.
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3.3.3. Rugosidad
Tiene una relación directa con el rozamiento (o resistencia a esfuerzo
cortante).
La relación no es constante, dependerá de la escala de medida y de la
presión sobre el plano de la junta.
𝑡 𝑔⁄ = 𝑡𝑔(∅𝑏 + 𝑖) Siendo:
i: ángulo de rugosidad que depende de la escala
Φb: ángulo de rozamiento básico
A pequeña escala, la rugosidad aumenta con el ángulo de rozamiento.
A gran escala, la rugosidad es prácticamente nula.
3.3.4. Apertura de la junta
La junta puede abrirse con las deformaciones generales de la masa rocosa.
Pudiendo ser:
Abierta (e>0.1mm) son inyectables con lechada de cemento.
Semiabierta (e<0.2mm) no son inyectables con lechada de
cemento, pero si utilizando una resina.
Cerradas (e≈0mm)
Tanto en las juntas abiertas como en las semiabiertas pueden desarrollarse
presiones intersticiales.
3.3.5. Rellenos de la junta
Las juntas abiertas y semiabiertas pueden tener rellenos, que según su
procedencia serán:
Alóctonos: materiales arrastrados por el agua y depositados en la
junta.
Autóctonos: materiales de la descomposición de los bordes de la
propia junta.
Estos rellenos pueden modificar las propiedades de las juntas:
Disminuyendo el ángulo de rozamiento.
Disminuyendo su permeabilidad.
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3.4. GRADO DE FRACTURACIÓN (RQD)
Se utiliza para medir el grado de fracturación global de una masa rocosa.
Es el porcentaje de testigos enteros de más de 10cm de longitud, sin desquebrajarse,
en el registro de un sondeo, medidos en una longitud tipo de un metro de sondeo.
Dependerá de:
Diámetro del sondeo
Según orientación del sondeo
La posición relativa de las juntas
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4. CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA RMR
La clasificación se hace según la suma de los valores correspondientes a los
siguientes parámetros:
Resistencia de la roca intacta a compresión simple (0-15)
RQD. Rock Quality Designation (0-20)
Espaciado de las juntas (0-20)
Condición y estado de las juntas (0-30)
Presencia de agua (0-15)
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CLASIFICACIÓN
Parámetros deducidos desde la clasificación
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