TEMA 5: EL MACIZO ROCOSOEL MACIZO ROCOSO

5.1 Características de la discontinuidades

5.2 Formas de rotura en los taludes rocosos

5.3 Clasificaciones geomecánicasg

5.4 Deformabilidad del macizo rocoso

5 5 Resistencia de las discontinuidades5.5 Resistencia de las discontinuidades

5.1. Características de discontinuidades

• Orientación y número de discontinuidadesOrientación y número de discontinuidades• Frecuencia o espaciado de las juntas (distancia entre dos discontinuidades)• Grado de apertura o separación (abierto o cerrado)• Extensión, persistencia, continuidad, p ,• Rugosidad o textura superficial (pulida, lisa o rugosa) y

relleno (sin o con relleno, tipo de relleno)

Orientación de discontinuidades:

5.2. Formas de rotura en taludes rocosos

• Roturas planas, “plane” (a)según juntas predominantes y/o continuas quesegún juntas predominantes y/o continuas que buzan hacia el talud.

• Roturas en cuña, “wedge” (b)ú d j t d dif t f ilisegún dos juntas de diferentes familias cuya

intersección buce hacia el talud.

• Roturas por vuelco, “toppling” (c)p , pp g ( )según una familia de juntas predominantes y/o continuas que buzan contra el talud y cuyo rumbo es casi paralelo al de la cara del talud.

• Roturas globales (tipo suelo)según superficies que pueden desarrollarse parcialmente a lo largo de juntasparcialmente a lo largo de juntas.

Rotura plana

Rotura en cuña (Andorra)

Roturas por vuelco : BC, Canada

Roturas por vuelco : Barcelona

5.3. Clasificaciones geomecánicas

C t í ti bj tiCaracterísticas y objetivos:• proporcionar una evaluación geomecánica global del macizo

rocoso a partir de observaciones en el campo y ensayos sencillos• estimación de la calidad del macizo rocoso (y de los parámetros

de resistencia)• definir las necesidades de sostenimientos

Metodología general:Metodología general:• se intenta dividir el macizo en grupos de comportamiento similar

Índice de calidad de las rocas, RQD“ k lit d i ti ” D t l (1967)“rock quality designation” Deree et al. (1967)

• Se basa en la recuperación modificada de un testigo (El porcentaje de la recuperación del testigo de un sondeo)( p j p g )

• Depende indirectamente del número de fracturas y del grado de la alteración del macizo rocoso

10cm)sfragmentoΣ(longitud

( ) lid d d

x100radaotal_perfolongitud_t

10cm)s__fragmentoΣ(longitudRQD

RQD (%) Calidad de roca< 25 muy mala

25 - 50 mala50 - 75 regular75 - 90 buena

90 - 100 excelente

Formula alternativa (cuando no hay sondeos):RQD = 115 – 3 3J para J > 4 5RQD 115 3.3Jv para Jv > 4.5RQD = 100 para Jv ≤ 4.5

Jv : numero de juntas identificadas en el macizo rocoso por m3

RQD en sondeos

Clasificación de Bieniawski (R.M.R.) “rock mass rating” Z T Bieniawski (1979)rock mass rating Z. T. Bieniawski (1979)

Se valora una serie de parámetros:

• Resistencia del material intacto valor máximo = 15(ensayo carga puntual o compresión simple)

• R.Q.D. valor máximo = 20• Distancia entre las discontinuidades valor máximo = 20Distancia entre las discontinuidades valor máximo 20• Condición de las discontinuidades valor máximo = 30• Agua subterránea valor máximo = 15

RMR = (1) + (2) + (3) + (4) + (5)

Clasificación de RMR (oscila entre 0 y 100):

Clase Calidad de roca RMRI muy buena 81 100

( y )

I muy buena 81 – 100II buena 61 – 80III regular 41 – 60IV mala 21 – 40 Relación entre RMR y propiedades

geomecánicas:V muy mala 0 - 20

geomecánicas:

c = 5*RMR (kPa)fi = 5 + (RMR/2) ( º)

Clasificación adaptada de Bieniawski para taludes (SMR) “slope mass rating” M Romana Ruiz (1992)(SMR) slope mass rating M. Romana Ruiz (1992)

Factor de ajuste de las juntas F1: depende del paralelismo entre el rumbo de las juntas y de la cara delF1: depende del paralelismo entre el rumbo de las juntas y de la cara del

talud.F2: depende del buzamiento de la junta en la rotura plana.F3: refleja la relación entre los buzamientos de la junta y el talud.3 j j yFactor de ajuste según el método de excavación F4: establecido empíricamente

SMR = RMR + (F1 * F2 * F3) + F4

Relación entre el índice SMR y la estabilidad del talud:y

SMR Estabilidad

100-81 Totalmente estable

80-61 Estable

60-41 Parcialmente estable

40-21 Inestable40 21 Inestable

< 20 Totalmente inestable

Índice Q de Barton (rock mass quality)Barton et al. 1974

Se hace una valoración con un índice Q a partir de valores de diferentes parámetros:

JJRQD wr

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

RQD Índice de calidad de la rocaJn número de familiasJr coeficiente de rugosidad de la juntaJa coeficiente de alteración de la juntaJ coeficiente reductor por la presencia de aguaJw coeficiente reductor por la presencia de aguaSRF factor reductor por tensiones en el macizo rocoso

Q (rock mass quality) valoraciónQ (rock mass quality) valoración0.001 – 0.01 excepcionalmente mala

0.01 – 0.1 extremadamente mala0.1 – 1.0 muy mala0.1 1.0 muy mala1.0 – 4 mala4 – 10 regular

10 – 40 buena40 – 100 muy buena

100 – 400 extremadamente buena400 - 1000 excepcionalmente buena

Jn número de familias valorRoca masiva 0.5 – 1Una familia de juntas 2

JJRQDId. con otras juntas ocasionales 3Dos familias de juntas 4Id. con otras juntas ocasionales 6Tres familias de juntas 9

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

Id. con otras juntas ocasionales 12Cuatro o más familias, roca muy fracturada 15Roca triturada 20

Jr coeficiente de rugosidad de la junta valorJuntas (contacto entre las dos caras)

Discontinuas 4O d l d 3 J coeficiente de alteración de la junta valorOnduladas, rugosas 3Onduladas, lisas 2Onduladas, perfectamente lisas 1.5Planas, rugosas o irregulares 1.5Pl li 1

Ja coeficiente de alteración de la junta valorJuntas (sin minerales de relleno intermedios)Juntas de paredes sanas 0.75 – 1Ligera alteración 2Alteraciones arcillosas 4Planas, lisas 1

Planas y perfectamente lisas 0.5Juntas rellenas (relleno impide contacto entre las dos caras)

t i l ill 1

Alteraciones arcillosas 4Juntas (minerales de relleno en pequeño espesor)Con partículas arenosas 4Con minerales arcillosos no blandos 6material arcilloso 1

Material arenoso, de grava o triturado 1

Con minerales arcillosos no blandos 6Con minerales arcillosos blandos 8Con minerales arcillosos expansivos 8 – 12Juntas (minerales de relleno en gran espesor)(minerales de relleno en gran espesor)Con roca triturada/desintegrada y arcilla 6 – 12Con zonas de arcilla limosa o arenosa 5Con zonas de arcillosos (espesor grueso) 10 - 20

Brecha de falla (Castellón)

Plano de falla con estrías (Castellón)

Falla con relleno arcillosoFalla con relleno arcilloso (Reus)

Jw coeficiente reductor por la presencia de agua valorExcavaciones secas o con <5 l/min localmente 1Afluencia media con lavado de algunas juntas 0 66 JJRQD wrAfluencia media con lavado de algunas juntas 0.66Afluencia importante por juntas limpias 0.5Id. Con lavado de juntas 0.33Afluencia excepcional inicial, decreciente con el tiempo 0.2 – 0.1Id mantenida 0 1 0 05

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

Id. mantenida 0.1 – 0.05

SRF ValorZ débil i t t l ióZonas débiles intersectan a la excavación:

Multitud de zonas débiles o milonitos 10Zonas débiles aisladas, con arcilla o roca descompuesta (cobertura 50 m)

5

Id b 50 2 5Id. con cobertura > 50 m 2.5Abundantes zonas débiles en roca competente 7.5Zonas débiles aisladas en roca competente (cobertura 50 m)

5

Id. con cobertura > 50 m 2.5Roca competente (problemas tensionales en las rocas)

Pequeña cobertura 2.5Cobertura media 1Gran cobertura 0.5 – 2

Rocas deformables (flujo plástico de roca)Con bajas presiones 5 – 10Con altas presiones 10 – 20

Rocas expansivasCon presión de hinchamiento moderada 5 – 10Con presión de hinchamiento alta 10 - 15

Índice de resistencia geológica (GSI)geológica (GSI) Hoek & Brown (1994)

Corneanas fractruadas (Andorra)

Calizas fractruadas (Tarragona)

5.4. Deformabilidad del macizo rocoso

Ensayos “in situ” de la deformabilidad

Existen dos tipos de métodos básicos para determinar la deformabilidadde los macizos rocosos (aplicando la ley de la elasticidad):

Métodos estáticos (ensayos de compresión con gatos / placas de carga)

Módulo de deformación estático E Módulo de deformación estático, Eest

Módulo de deformación “in-situ”

Métodos dinámicosMétodos dinámicos (ensayos con ondas de sonido)

Módulo de deformación dinámico, Edin

Métodos estáticos (ensayos de compresión con gatos / placas de carga)(ensayos de compresión con gatos / placas de carga)

)1(P 2

rEest

o

wo: desplazamiento normal de la superficieP: carga normal concentradaP: carga normal concentrada: Coeficiente de PoissonEest: Módulo de deformación “in-situ”r: radio de la placa

Métodos estáticos Relación entre el Módulo de deformación estático y RMRRelación entre el Módulo de deformación estático y RMR

Eest = 2· RMR - 100 para RMR > 50est 00 pa a 50según Bieniawski (1979)

E = 10(RMR – 10)/40 para RMR < 50Eest 10( ) para RMR < 50según Serafim y Pereira (1983)

Ensayo con ondas de sonido

• El Módulo de elasticidad (deformación dinámica) se deduce dela velocidad de propagación de ondas sísmicasla velocidad de propagación de ondas sísmicas

• Se aplica ondas longitudinales (de compresión, p) y ondastransversales (de corte, s)

21

dinlong

)21)(1(

)1(Ev

v : velocidad de ondas longitudinales

21

dinEv

)21)(1(

vlong: velocidad de ondas longitudinalesvtrans: velocidad de ondas transversalesEdin: Módulo de elasticidad / deformación dinámica: Coeficiente de Poisson

trans)1(2

v

: densidad del material

Ensayo con ondas de sonido

Evaluación de Eest con ondas sísmicas:

Schneider (1967) y Bieniawski (1978) proponen:

E = 0 054·ft – 9 2Eest = 0.054 ftrans 9.2

Eest : Módulo (estático) de deformación “in situ” (en GPa)ftrans: frecuencia de las ondas transversales (en Hz)trans ( )

Módulo de deformación “in situ” (estático) Eest (GPa)

( )Módulo de deformación dinámico

5.5. Resistencia del macizo rocoso

Criterios de rotura para macizos rocosos

Criterio de Mohr CoulombCriterio de Mohr-Coulomb

= c’ + n’ tg ’

: resistencia al cortec’ : cohesión del macizo rocoson‘ : tensión normaln : tensión normal‘ : ángulo de fricción interna

Criterio de Hoek y Brown

31 3 m s

1 y 3: tensiones principales mayor y menor en rotura

1 3 cc

m s

c : resistencia a compresión simple (roca matriz)m y s : constantes (dependen del macizo rocoso: GSI o RMR)

Resistencia de las discontinuidades

Resistencia al corte / cizalla

Esquema de ensayos:

n

Esquema de ensayos:“in-situ”De laboratorio

: tensión tangencial

n

: tensión tangencialn : tensión normal

Resistencia de las discontinuidades

La resistencia al corte de las discontinuidades depende de:• Rugosidad

C t ió h ió• Cementación-cohesión

Resistencia de las discontinuidadesEfecto de: • Cementación-cohesión

Resistencia al corte en discontinuidades planas

p

rotura / picodiscontinuidad cementada

Ley de Mohr-Coulomb:Tensión máxima (pico)

res residual

discontinuidad no cementada

Tensión residual (c = 0):

Resistencia de las discontinuidadesEfecto de: • Rugosidad

Dilatancia:

Desplazamientos tangenciales y normales durante un corte directonormales durante un corte directo

Resistencia de las discontinuidades

Método de Patton: (influencia de la rugosidad)

= + ip = b + ib : ángulo de fricción básico de la discontinuidad (20-40º)i á l f l i l id d l l d di i id d (0 40º)i: ángulo que forma la irregularidad con respecto al plano de discontinuidad (0 – 40º)

Existen dos diferentes tipos de i:• primer orden • segundo ordensegundo orden

Resistencia de pico (considerando c = 0):p = n

’ tan (b + i)

Resistencia de las discontinuidades

Método de Barton y Choubey : (criterio no-lineal)

JCS

nrn

JCSJRC

10logtan

r : ángulo de fricción residual JRC: coeficiente de rugosidad de la junta (puede ser 0 si la junta es plana y lisa)g j (p j p y )= (joint roughness coefficient)JCS: la resistencia a la compresión simple de las paredes de la discontinuidad = (joint wall compression strength)(j p g )

Resistencia de la discontinuidad depende de tres componentes:Resistencia de la discontinuidad depende de tres componentes:•una componente friccional (r )•una componente geométrica (JRC)•una componente de “asperidad” (JCS/n )n

Además: r y JCS dependen del grado de meteorización