Propiedades Fisico Mecanicas En Macizos Rocosos

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Propiedades Físico-Mecánicas

Planos débiles en rocas

Propiedades Físico Mecánicas en Macizos Rocosos

Congreso de Estudiantes de Ingeniería Civil 2005

Francisco Gordillo E.UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA

Referencias

• Chernyshev, S.N. and Dearman, W.R. R k F t B tt th H iRock Fractures. Butterworth-Heinemann, London

• Goodman, R.E. Introduction to Rock Mechanics John Wiley & Sons New YorkMechanics. John Wiley & Sons, New York

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Propiedades de la roca matriz

Naturaleza discontinua de las rocas

Contraposición “roca intacta” – “macizo rocoso”

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• Las propiedades del macizo rocoso están determinadas por las discontinuidades:determinadas por las discontinuidades:

Lo importante en mecánica de rocas es lo que no es roca

• Excepciones:– Construcciones a gran profundidad (≈ 3000 m para

rocas dura)Perforaciones y excavaciones– Perforaciones y excavaciones

– Rocas blandas (rocas salinas, yeso, argilitas, limolitas, depósitos terciarios que se comportan como suelos)

• Los bloques de roca se mueven más fácilmente en la dirección cinemáticamente posible


en la dirección cinemáticamente posible

• Bloques de roca rodeados por planos débiles de formas irregulares

a

a'b

b'

aa bb′ ′>

Juntas en un túnel

Los bloques coaccionados dilatan la roca durante deformaciones por corte

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• Comparación de algunas propiedades

– Resistencia:muestra intacta > macizo rocoso

– Permeabilidad:muestra intacta < macizo rocoso

– Deformabilidad: muestra intacta < macizo rocoso

Clasificación e identificación básica de las rocas

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Clasificación

• Desde el punto de vista genéticoSedimentarias– Sedimentarias

– Metamórficas– Ígneas

• Desde el punto de vista de su textura (según Goodman). Esta clasificación resulta más adecuada en ingeniería, en la evaluación del comportamiento mecánicoingeniería, en la evaluación del comportamiento mecánico

– Textura cristalina– Textura clástica– Rocas de grano muy fino– Rocas orgánicas

ClasificaciónI. Textura cristalinaCristales fuertemente entrelazados, de silicatos, carbonatos, sulfatos u otras salesCarbonatos y sales solubles Caliza, dolomita, rocas salinas,

mármol, yesoMica u otros minerales de forma plana en bandas continuas

Esquistos de mica, clorita, grafito

Silicatos formando bandas, sin láminas continuas de mica

Gneiss

Silicatos de tamaño de grano Granito, diorita, gabro, sienitauniforme orientados y distribuidos aleatoriamenteSilicatos orientados y distribuidos aleatoriamente en una matriz de grano muy fino, con cavidades

Basalto, riolita, otras rocas volcánicas

Rocas que han soportado grandes esfuerzos de corte

Serpentinita, milonita

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ClasificaciónII. Textura clásticaBloques de varios tipos y granos de minerales diversos, cuyas propiedades vienen determinadas por el tipo de cementación que une los distintos elementos Cementación estable Areniscas con matriz silícea y

areniscas limosasCementación ligeramente soluble Areniscas y conglomerados de

matriz de calcitaCementación altamente soluble Areniscas y conglomerados con

matriz de yesoCementación incompleta o débil Arenisca desmenuzable, toba

Sin cementación Areniscas de matriz arcillosa

ClasificaciónIII. Rocas de grano muy finoCompuestas principalmente de arcillas o limos con deformabilidad, resistencia, durabilidad y tenacidad muy variableRocas duras, isótropas Corneana, algunos basaltos

Rocas duras, macroscópicamente anisótropas pero isótropas microscópicamente

Pizarras cementadas, rocas laminares

Rocas duras microscópicamente anisótropas

Pizarras, filitas

Rocas blandas, de características similares a los suelos

Creta, esquistos compactados, margas

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ClasificaciónIV. Rocas orgánicasPueden ser de comportamiento viscoso, plástico o elásticoCarbón blando Lignito, carbón bituminosog ,Carbón duro

"Oil shale"

Esquitos bituminosos

Alquitrán arenoso

Índices

• Las propiedades de las rocas son muy i bl d bid l i d d dvariables debido a la variedad de

estructuras y componentes• Interesa disponer de una descripción

cuantitativa de las rocas con un cierto número de medidas básicasnúmero de medidas básicas

• Algunas propiedades son relativamente fáciles de medir índices

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Índices

• Porosidad: proporción relativa de materia sólida y huecos

• Densidad: añade información acerca de la composición mineralógica

• Velocidad de transmisión de ondas: permite estimar el grado de fisuración (en combinación con un estudio petrográfico)

• Permeabilidad: permite evaluar la interconexión relativa de los porosrelativa de los poros

• Durabilidad: indica la tendencia a la descomposición de los componentes o estructuras, con la consecuente degradación de la calidad de la roca

• Resistencia: determina la competencia de la matriz rocosa para mantener unidos sus componentes

Índices

• Los índices permiten una clasificación de las rocas para su uso en ingenieríalas rocas para su uso en ingeniería

• Los índices se obtienen a partir de ensayos de laboratorio con probetas de roca intacta clasificación para aplicaciones relacionadas principalmente con el comportamiento de la roca matriz ycon el comportamiento de la roca matriz, y no para el macizo rocoso (discontinuidades,...)

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Porosidad

• Porosidad:– Es la proporción del volumen de huecos con relación– Es la proporción del volumen de huecos con relación

al volumen total:

– La porosidad representa un índice de la calidad de la roca

p

t

Vn V=

roca– Típicamente, los valores son más bajos que en

suelosη = 1 - γv/ γe

Porosidad

• Porosidad– Valores típicos:– Valores típicos:

Rocas sedimentarias: Factor responsable: porosPuede oscilar entre: 0 < n < 90%Para una arenisca media, n ≈ 15%n disminuye con la profundidadn disminuye con la edad (desgaste)

Rocas ígneas y metamórficas:g yFactor responsable: fisurasNormalmente, n < 1 a 2%n aumenta con la edad (desgaste) hasta n = 20% o más

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Relación porosidad – edad

areniscas limolitas, margas, argilitas

Relación porosidad – velocidad de transmisión de ondas

limolitaareniscacalizagranitogranitobasalto

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Relación porosidad – resistencia

granito

rocas carbonatadas

areniscas

Densidad

• Densidad:– El rango de variabilidad de la densidad de las rocas– El rango de variabilidad de la densidad de las rocas

es mucho mayor que la de los suelos– El conocimiento de la densidad es importante en

ingeniería y minería ya que tiene relación directa con la resistencia

– Existe una buena correlación entre la densidad específica y:

la resistenciala velocidad de transmisión de ondasalgunas constantes elásticas

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DensidadCσ

Tσ

Relación entre la densidad específica y la resistencia a la compresión y a la tracción

Densidad

Lv Sv Bv

Relación entre la densidad específica y la velocidad de transmisión de ondas

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Densidad

E ν

Relación entre la densidad específica y las constantes elásticas

Densidades de rocas y minerales (kg/m3)

range of density mean density range of density mean density

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Velocidad de transmisión de ondas

• Relativamente fácil de determinar, tanto ondas transversales como longitudinalestransversales como longitudinales

• La velocidad de transmisión depende, en teoría, únicamente de las propiedades elásticas y de la densidad

• Pero una red de fisuras superpuesta a la roca matriz tiene un efecto predominante

• Por lo tanto, la velocidad de transmisión de ondas puede servir como índice del grado de fisuración de una roca

• Índice de calidad:


V

– siendo la velocidad real de transmisión de ondas en la muestra, y la velocidad de transmisión de ondas de una muestra del mismo material sin poros ni fisuras.

* 100%l

l

VV

= ×IQ(%)

lVlV ∗

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• Dado que el IQ depende mucho del grado de fisuración, se ha propuesto un ábaco IQ-porosidad que sirva de base para la clasificación de una muestra de roca según su grado de fisuración:


clasificación de una muestra de roca según su grado de fisuración:

Permeabilidad

• Importante en casos prácticos:– Extracción por bombeo de agua petróleo gas– Extracción por bombeo de agua, petróleo, gas, ...– Almacenaje de residuos en formaciones porosas– Almacenaje de fluidos en cavernas – Estimación de la capacidad de retención del agua en

embalses– Eliminación de agua en cavernas profundas

La presencia de fis ras altera radicalmente la• La presencia de fisuras altera radicalmente la permeabilidad de la roca matriz obtenida en el laboratorio necesarios ensayos de bombeo “in situ”

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Durabilidad

• La durabilidad es fundamental en todas las aplicaciones prácticas en ingenieríaaplicaciones prácticas en ingeniería

• Las propiedades de la roca se ven alteradas debido a exfoliación, hidratación, oxidación, abrasión, etc.

• “Slake durability index”, Id (ensayo de durabilidad – mide la resistencia a la di ió i l d h d i i t )disgregación en ciclos de humedecimiento)– Ciclo:

secado en estufa a 105º200 vueltas en tambor en 10 min

– Se suelen usar dos ciclos

Durabilidad

Tambor de 140 mm de diámetro y 100 mm de largo

Ensayo de durabilidadde largoParedes de un tamiz de 2 mm de apertura500 g de roca en 10 piezasEl tambor gira a 20 revoluciones por minuto durante 10

i b ñminutos en un baño de aguaSe mide el porcentaje de roca retenida dentro del tamborpeso retenido% peso inicialdI =

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Resistencia

• La resistencia es una propiedad muy importanteimportante

disponer de un índice de resistencia es de gran valor

• Ensayo de carga puntual: – una muestra de roca se carga mediante dos

conos de acero que provocan la rotura alconos de acero que provocan la rotura al desarrollarse fisuras paralelas al eje de carga

– probetas cilíndricas de Ø 50 mm, con una longitud al menos de 1.4 veces el diámetro

Ensayo de carga puntual

Prensa Franklin

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Esquema del montaje


• Falta de material adecuado• Necesidad de gran número de ensayos, a

realizar in situ• Índice de carga puntual:

PI =P = fuerza necesaria para romper la muestra

2 4

2

eD WD

se

PID

π=

= De = diámetro equivalenteW = anchura media de la muestraD = distancia entre las puntas de los conos en el momento de rotura

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Correlación entre el índice de carga puntual y la resistencia a la compresión simple


• Correlaciones:B h & F kli (1972) 24I– Broch & Franklin (1972):

– Brook (1993):

donde:• σc = resistencia a la compresión

24c sIσ =

0 1,5 sT I=

0 1,5 sT I=

c

• T0 = resistencia a la tracción

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Clasificación de los macizos rocosos

Clasificación de Bieniawski

• Rock Mass Rating• Proporciona un índice RMR, indicador de

la calidad de la roca, que está entre 0 y 100

• El cálculo del RMR se basa en cinco parámetros universales:

0 1,5 sT I=

parámetros universales:

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1. Resistencia de la roca

Resistencia a la compresión simple (MPa)

Contribución

>200 15

100–200 12

50 100 7

Incrementos de RMR para la resistenciaa la compresión de la roca

50–100 7

25–50 4

10–25 2

3–10 1

<3 012


2. Calidad de un testigo perforadoIncrementos de RMR para la calidad

de un testigo perforado

RQD (%) Contribución

91–100 20

76–90 17

51–75 13

25 50 825–50 8

<25 3

RQD: "Rock Quality Designation", es el porcentaje de longitudes del testigo superiores a dos veces el diámetro

12+13

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3. Condiciones de agua en el terrenoIncrementos de RMR debidos a las condiciones de agua en el terreno

Caudal por cada 10 m de longitud de túnel

(l/min)ó

Presión de agua en las juntas dividida

por la tensión principal mayor

ó Condiciones Generales Contribución

0 0 Completamente seco 10

25 0.0–0.2 Húmedo 7

25–125 0.2–0.5 Agua bajo presión moderada 4

125 0.5 Problemas severos debidos al agua 0

12+13+7


4. Separación de juntas y fisurasIncrementos de RMR para la separación

de juntas del sistema principal

Separación (m) Contribución

>3 30

1–3 25

0.3–1 20

0 005 0 3 100.005–0.3 10

<0.005 5

12+13+7+10

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5. Características de las juntas (1)Incrementos de RMR para la orientación de las juntas

Apreciación de la influencia de la

orientación

Contribución para túneles

Contribución para

cimentaciones

Muy favorable 0 0

Favorable -2 -2

Moderada -5 -7

Desfavorable -10 -15

Muy desfavorable -12 -25

12+13+7+10-15


5. Características de las juntas (2)Incrementos de RMR para las condiciones de las juntas

Descripción Contribución

Superficies muy rugosas de extensión limitada; roca dura 25

Superficies ligeramente rugosas; apertura menor a 1 mm; roca dura 20

Superficies ligeramente rugosas; apertura menor a 1 mm; roca blanda 12;

Superficies lisas, ó con relleno de 1–5 mm, óapertura de 1–5 mm; juntas de varios metros de longitud

6

Juntas abiertas rellenas con más de 5 mm, óapertura mayor de 5 mm; juntas de varios metros de longitud

0

12+13+7+10-15+12=39

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Clasificación geomecánicaClasificación geomecánica

Clase Descripción del macizo rocoso RMR

I Roca muy buena 81–100II Roca buena 61–80III Roca aceptable 41–60IV Roca mala 21–40V Roca muy mala 0–20

Contribución=39

Comportamiento mecánico

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Modos de rotura en roca

flexión

tracción directa

cortante

compresión + tracción + cortante

directa

Modos de rotura en roca

cristal metal roca: no lineal

fluencia

frágil de transición dúctil

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Comportamiento mecánico de la roca matriz

• Preparación de las probetasepa ac ó de as p obetas– extracción del testigo– corte de las caras– refrentado mecánico

• Ensayos: – compresión simple– tracción– triaxial – corte

Planos débiles en rocas

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Introducción

• Roca: material real muy distinto del que d í l i t t i tdesearíamos elegir para un tratamiento matemático tipo "medio continuo"

• Medio heterogéneo y casi siempre discontinuo

• Discontinuidades: naturales o inducidas• Discontinuidades: naturales o inducidas artificialmente (excavaciones, voladuras, reajuste de tensiones,...)

Introducción

• Juntas:– Fisuras aproximadamente planas y paralelas

entre sí, con separaciones del orden de centímetros hasta decenas de metros

– Una familia de juntas paralela a los planos de sedimentación, más dos familias en otras di idirecciones.

– Rocas ígneas o metamórficas pueden tener tres o más familias de juntas

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IntroducciónTipos de familias de fisuras:

(a) esferoidal en andesitas(a) esferoidal en andesitas

(b) poligonal en basaltos

(c) poligonal en calizas

(d) regular en granitos

(e) regular en areniscas y lutitas

(f) caótico en doleritas y otras rocas ígneas.

Introducción

Superficie de fractura de gran longitud, formada por la unión de pequeñas juntas individuales

Pequeñas juntas cruzadas y una discontinuidad larga

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Introducción

Fisuras discretas (S) y distribuidas (M): cada tipo requiere un estudio diferente

Introducción

• Planos “débiles”:– debilitan el macizo rocoso– el macizo rocoso es más deformable– anisotropía:

se reduce la resistencia al corte y se aumenta la permeabilidad en los planos débilesse aumenta la compresibilidad y se disminuye la resistencia a la tracción en la dirección perpendicular a los planos débiles

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Discontinuidades• Discontinuidad: es un término colectivo que

indica cualquier corte (fisura grieta ) en elindica cualquier corte (fisura, grieta, …) en el macizo rocoso con resistencia a la tracción nula o muy baja:– Todo tipo de fracturas– Diaclasas– Planos de estratificación (débiles)

Fallas– Fallas– Zonas de contacto entre distintas formaciones

geológicas– Zonas de concentración de esfuerzos de corte

Discontinuidades

• Caracterización de las discontinuidades:– Orientación– Separación– Apertura– Continuidad (persistencia)– Características de las superficies de contactoCaracterísticas de las superficies de contacto

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Discontinuidades• Orientación:

la orientación de las– la orientación de las discontinuidades con respecto a las cargas aplicadas puede ser crítica para la estabilidad o la deformabilidaddeformabilidad

– filtración de agua también depende de la orientación

Discontinuidades• Apertura y separación:

apertura: distancia entre las dos caras de una– apertura: distancia entre las dos caras de una fractura

– separación: distancia entre dos planos de discontinuidad de una misma familia

– apertura y separación controlan las propiedades del macizo en relación al movimiento de agua

– aperturas grandes facilitan el movimiento de agua y el relleno de las mismas por materiales de aportación

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Discontinuidades• Persistencia:

indica si la fractura es– indica si la fractura es “persistente” o está formada por pequeñas fracturas unidas por roca intacta

– una fractura persistente es máspersistente es más deformable y débil que las pequeña unidos por puentes de roca

Discontinuidades• Características de las superficies de contacto:

las características físicas de las superficies de– las características físicas de las superficies de contacto son muy importantes para la estabilidad y deformabilidad del macizo rocoso

rugosidadondulaciónmeteorizaciónexistencia de material de rellenoexistencia de material de rellenohumedad natural…

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Discontinuidades(Perfilometro)

0.05 mm

0.05 mm

Obtención de muestras

corte con

anclajes preinstalados

corte con sierra

superficie natural de la junta

resina plástica de moldeo,

arcilla

JUNTAS NATURALES JUNTAS ARTIFICIALES

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Obtención de muestras

perforación orientadaorientada

molde

Resistencia de macizos fracturados

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Anisotropía de las rocas• Materiales anisótropos: sus propiedades

varían en función de la direcciónvarían en función de la dirección considerada para su medida

• Rocas → material anisótropo: resistencia, deformación, etc.

• Causas: distribución aleatoria de las di ti id d (fi di l )discontinuidades (fisuras, diaclasas), presencia en bandas de distintos minerales, alternancias, etc.

Anisotropía de las rocasVariación de la resistencia en función delfunción del ángulo que forman los planos de anisotropía con las tensiones principales

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Anisotropía de las rocasMohr-Coulomb:

Sobre el plano de rotura:

tancβ βτ σ ϕ= +Sobre el plano de rotura:

Condición de rotura sobre el plano β:

1 3

1 3 1 3

sin 22

cos 22 2

β

β

σ στ β

σ σ σ σσ β

−=

+ −= −

31 3

2( tan )(1 tan tan )sin 2

c σ ϕσ σϕ β β+

≥ +−

Evaluación de la seguridad en rocas fisuradas

• Factor de seguridad: ¿cómo definirlo?

λ máxima carga externa posible

– multiplicador de la carga– no es muy realista (la presión hidrostática no

presenta incertidumbre)– es la definición tradicional

Eλ =máxima carga externa posible

carga real aplicada

es la definición tradicional– expresa la capacidad de aguantar cargas externas

Factor de Seguridad = min{λE}para todos los mecanismos de rotura

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• Factor de seguridad: ¿cómo definirlo?

resistencia al corte

– incluye la incertidumbre de los parámetros resistentes (c, φ, …)

– más realista

ϕλ =resistencia al corte

tensión de corte real aplicada

más realista

Factor de Seguridad = min{λφ}para todos los mecanismos de rotura


• ¿Qué necesitamos?

1) análisis tensional incluyendo peso propio y, además, estudio por separado de cada uno de los sistemas de carga externa

2) un mecanismo de rotura específico para una dirección determinada de deslizamiento, y la , ydistribución de tensiones en los planos débiles que definen la superficie de deslizamiento

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El caso de la presa de Canelles

• Canelles es una presa bóveda de 140 m d lt l í N Ribde altura en el río Noguera Ribagorzana

• La cimentación consiste en rocas calizas fisuradas– familia principal de diaclasas verticales

paralelas al vallep– discontinuidades formadas por planos de

estratificación con buzamiento de 45º aguas arriba


familia principal

planos de estratificación

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G iGracias

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