TEMA 5: EL MACIZO ROCOSO 5.1 5.2 5.3 5.4 55 5.5 Características de la discontinuidades Formas de rotura en los taludes rocosos g Clasificaciones geomecánicas Deformabilidad del macizo rocoso Resistencia de las discontinuidades 5.1. Características de discontinuidades • • • • • Orientación y número de discontinuidades Frecuencia o espaciado de las juntas (distancia entre dos discontinuidades) Grado de apertura o separación (abierto o cerrado) p , continuidad Extensión,, persistencia, 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 que buzan hacia el talud. • Roturas en cuña, “wedge” (b) según ú d dos jjuntas t d de dif diferentes t ffamilias ili cuya intersección buce hacia el talud. • Roturas p por vuelco,, “toppling” pp g ((c)) 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 juntas juntas. Rotura plana Rotura en cuña (Andorra) Roturas por vuelco : BC, Canada Roturas por vuelco : Barcelona 5.3. Clasificaciones geomecánicas Características C t í ti y objetivos: bj ti • 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: • se intenta dividir el macizo en grupos de comportamiento similar Índice de calidad de las rocas, RQD “ k quality “rock lit designation” d i ti ” • Se basa en la recuperación modificada de un testigo ((El porcentaje p j de la recuperación p del testigo g de un sondeo)) • Depende indirectamente del número de fracturas y del grado de la alteración del macizo rocoso RQD Σ(longitud_fragmento fragmentos_ s 10cm) x100 longitud_total_perforada RQD (%) ( ) Calidad lid d de d roca < 25 25 - 50 50 - 75 75 - 90 90 - 100 muy mala mala regular buena excelente Formula alternativa (cuando no hay sondeos): RQD = 115 – 3.3J 3 3Jv para Jv > 4.5 45 RQD = 100 para Jv ≤ 4.5 Jv : numero de juntas identificadas en el macizo rocoso por m3 D Deree ett al. l (1967) RQD en sondeos Clasificación de Bieniawski (R.M.R.) “rock rock mass rating rating” Z T. 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 = 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 RMR I II III IV V muy buena buena regular mala muy mala 81 – 100 61 – 80 41 – 60 21 – 40 0 - 20 Relación entre RMR y propiedades geomecánicas: c = 5*RMR fi = 5 + (RMR/2) (kPa) ( º) Clasificación adaptada de Bieniawski para taludes (SMR) “slope slope mass rating rating” M Romana Ruiz (1992) M. Factor de ajuste de las juntas F1: 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. j la relación entre los buzamientos de la jjunta y el talud. F3: refleja Factor 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: SMR Estabilidad 100-81 Totalmente estable 80-61 Estable 60-41 Parcialmente estable 40-21 40 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: Q RQD Jn Jr Ja Jw SRF RQD J r J w J n J a SRF Índice de calidad de la roca número de familias coeficiente de rugosidad de la junta coeficiente de alteración de la junta coeficiente reductor por la presencia de agua factor reductor por tensiones en el macizo rocoso Q (rock mass quality) 0.001 – 0.01 0.01 – 0.1 0.1 – 1.0 1.0 – 4 4 – 10 10 – 40 40 – 100 100 – 400 400 - 1000 valoración excepcionalmente mala extremadamente mala muy mala mala regular buena muy buena extremadamente buena excepcionalmente buena Jn número de familias Roca masiva Una familia de juntas Id. con otras juntas ocasionales Dos familias de juntas Id. con otras juntas ocasionales Tres familias de juntas Id. con otras juntas ocasionales Cuatro o más familias, roca muy fracturada Roca triturada Jr coeficiente de rugosidad de la junta Juntas (contacto entre las dos caras) Discontinuas O d l d rugosas Onduladas, Onduladas, lisas Onduladas, perfectamente lisas Planas, rugosas o irregulares Pl Planas, li lisas Planas y perfectamente lisas Juntas rellenas (relleno impide contacto entre las dos caras) material t i l arcilloso ill Material arenoso, de grava o triturado Brecha de falla (Castellón) valor 0.5 – 1 2 3 4 6 9 12 15 20 Q RQD J r J w J n J a SRF valor 4 3 2 1.5 1.5 1 0.5 1 1 Ja coeficiente de alteración de la junta Juntas (sin minerales de relleno intermedios) Juntas de paredes sanas Ligera alteración Alteraciones arcillosas Juntas (minerales de relleno en pequeño espesor) Con partículas arenosas Con minerales arcillosos no blandos Con minerales arcillosos blandos Con minerales arcillosos expansivos Juntas (minerales de relleno en gran espesor) Con roca triturada/desintegrada y arcilla Con zonas de arcilla limosa o arenosa Con zonas de arcillosos (espesor grueso) valor 0.75 – 1 2 4 4 6 8 8 – 12 6 – 12 5 10 - 20 Plano de falla con estrías (Castellón) Falla con relleno arcilloso (Reus) Jw coeficiente reductor por la presencia de agua Excavaciones secas o con <5 l/min localmente Afluencia media con lavado de algunas juntas Afluencia importante por juntas limpias Id. Con lavado de juntas Afluencia excepcional inicial, decreciente con el tiempo Id mantenida Id. valor 1 0 66 0.66 0.5 0.33 0.2 – 0.1 0 1 – 0.05 0.1 0 05 Q RQD J r J w J n J a SRF SRF Zonas débiles Z débil intersectan i t t a la l excavación: ió Multitud de zonas débiles o milonitos Zonas débiles aisladas, con arcilla o roca descompuesta (cobertura 50 m) Id con cobertura Id. b > 50 m Abundantes zonas débiles en roca competente Zonas débiles aisladas en roca competente (cobertura 50 m) Id. con cobertura > 50 m Roca competente (problemas tensionales en las rocas) Pequeña cobertura Cobertura media Gran cobertura Rocas deformables (flujo plástico de roca) Con bajas presiones Con altas presiones Rocas expansivas Con presión de hinchamiento moderada Con presión de hinchamiento alta Índice de resistencia geológica (GSI) Hoek & Brown (1994) Valor 10 5 2.55 2 7.5 5 2.5 2.5 1 0.5 – 2 5 – 10 10 – 20 5 – 10 10 - 15 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 deformabilidad de los macizos rocosos (aplicando la ley de la elasticidad): Métodos estáticos (ensayos de compresión con gatos / placas de carga) Módulo de deformación estático, estático Eest Módulo de deformación “in-situ” Métodos dinámicos (ensayos con ondas de sonido) Módulo de deformación dinámico, Edin Métodos estáticos (ensayos de compresión con gatos / placas de carga) P(1 2 ) o E est r wo: P: : Eest: r: desplazamiento normal de la superficie carga normal concentrada Coeficiente de Poisson Módulo de deformación “in-situ” radio de la placa Métodos estáticos Relación entre el Módulo de deformación estático y RMR Eest = 2· RMR - 100 00 para pa a RMR > 50 según Bieniawski (1979) ) Eest = 10((RMR – 10)/40 para RMR < 50 según Serafim y Pereira (1983) Ensayo con ondas de sonido • El Módulo de elasticidad (deformación dinámica) se deduce de la velocidad de propagación de ondas sísmicas • Se aplica ondas longitudinales (de compresión, p) y ondas transversales (de corte, s) v long E din (1 ) (1 )(1 2 ) v trans E din 2 (1 ) 1 2 1 2 vlong: vtrans: Edin: : : velocidad de ondas longitudinales velocidad de ondas transversales Módulo de elasticidad / deformación dinámica Coeficiente de Poisson densidad del material Ensayo con ondas de sonido Evaluación de Eest con ondas sísmicas: Schneider (1967) y Bieniawski (1978) proponen: Eest = 0.054 0 054·fftrans – 9.2 92 t Eest : ftrans: Módulo (estático) de deformación “in situ” (en GPa) frecuencia de las ondas transversales ((en Hz)) Módulo de deformación “in situ” ((estático)) Módulo de deformación dinámico Eest (GPa) 5.5. Resistencia del macizo rocoso Criterios de rotura para macizos rocosos Criterio de Mohr-Coulomb Mohr Coulomb = c’ + n’ tg ’ : resistencia al corte c’ : cohesión del macizo rocoso n‘ : tensión normal ‘ : ángulo de fricción interna Criterio de Hoek y Brown 1 3 c m 3 s c 1 y 3: tensiones principales mayor y menor en rotura c : resistencia a compresión simple (roca matriz) mys : constantes (dependen del macizo rocoso: GSI o RMR) Resistencia de las discontinuidades Resistencia al corte / cizalla Esquema de ensayos: “in-situ” De laboratorio n : tensión tangencial n : tensión normal n Resistencia de las discontinuidades La resistencia al corte de las discontinuidades depende de: • Rugosidad • Cementación-cohesión C t ió h ió Resistencia de las discontinuidades Efecto de: • Cementación-cohesión Resistencia al corte en discontinuidades planas p Ley de Mohr-Coulomb: Tensión máxima (pico) rotura / pico discontinuidad cementada res residual discontinuidad no cementada Tensión residual (c = 0): Resistencia de las discontinuidades Efecto de: • Rugosidad Dilatancia: Desplazamientos tangenciales y normales durante un corte directo Resistencia de las discontinuidades Método de Patton: (influencia de la rugosidad) p = b + i b : i:i ángulo de fricción básico de la discontinuidad (20-40º) á ángulo l que fforma lla iirregularidad l id d con respecto all plano l d di de discontinuidad i id d (0 – 40º) Existen dos diferentes tipos de i: • primer orden • segundo 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 n n tan r JRC log 10 r : ángulo de fricción residual JRC: coeficiente de rugosidad g de la jjunta (puede (p ser 0 si la junta j es plana p y lisa)) = (joint roughness coefficient) JCS: la resistencia a la compresión simple de las paredes de la discontinuidad (joint wall compression p strength) g ) = (j Resistencia de la discontinuidad depende de tres componentes: •una componente friccional (r ) •una componente geométrica (JRC) •una componente de “asperidad” (JCS/n ) Además: r y JCS dependen del grado de meteorización