Subido por ENRIQUE CABRERA MONTERO

Resistencia al corte de macizo alterado

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Determinación semi-empírica de la resistencia al corte en discontinuidades
con diversas condiciones de alteración
Semi-empirical determination of the shear strength of discontinuities with several alteration
conditions
Jorge A. LÓPEZ-MOLINA1, Edgar MONTIEL-GUTIÉRREZ1
1Departamento
de Mecánica de Rocas e Inyecciones, GEIC, CFE
RESUMEN: Dada la influencia de las propiedades mecánicas de las discontinuidades geológicas para evaluar el
comportamiento global de un macizo rocoso, y a su vez, las dificultades para definir valores representativos de estos
parámetros; presentamos la aplicación de una herramienta de caracterización para definir de forma semi-empírica el
ángulo de fricción de discontinuidades con un amplio rango de condiciones de alteración, así como la verificación de los
resultados con ensayes de laboratorio. Esta herramienta también representó ventajas para visualizar la distribución
espacial de las características de las discontinuidades, así como facilidades para la generación de evaluaciones
probabilísticas y modelos numéricos con representación explícita de discontinuidades en problemas prácticos de
mecánica de rocas.
ABSTRACT: Given the influence of the mechanical properties of geological discontinuities to assess the overall behavior
of a rock mass, and at the same time, the difficulties for defining representative values of these parameters; we present a
characterization tool application to semi empirically define the friction angle of discontinuities with a wide range of
alteration conditions. This tool also presented advantages to visualize the spatial distribution of discontinuities features,
as well as facilities for the generation of probabilistic valuations and numerical models with explicit representation of
discontinuities in practical rock mechanics problems.
1 ANTECEDENTES
La estructura de los macizos rocosos definida como
la naturaleza y distribución de las discontinuidades
en un medio geológico, es uno de los tópicos de
mayor estudio en la mecánica de rocas, debido a la
influencia que tiene en la estabilidad de cualquier
obra civil alojada en estos materiales.
Dado que la respuesta de una masa de roca
depende de la interacción que se produzca entre la
roca intacta y las discontinuidades, ante las
modificaciones en el estado inicial de esfuerzos,
geometría o presencia de agua; es la escala de su
estructura la característica que determina su
comportamiento (Figura 1).
Cuando se espera que un macizo rocoso presente
un comportamiento claramente discontinuo, la
resistencia de las discontinuidades es el parámetro
geotécnico que adquiere mayor importancia, dado
que de éste dependerán los mecanismos de falla del
terreno, incluso para aquellas masas de roca en
donde la roca intacta presenta baja resistencia y alta
deformabilidad.
Entre las discontinuidades del macizo rocoso
pueden encontrarse fracturas, estratificación,
esquistosidad, fallas, zonas alteradas, etc., cuya
resistencia depende principalmente de ciertas
características como: rugosidad, condiciones del
relleno o alteración de las paredes y condiciones de
flujo de agua a través de ellas.
Continuo
Equivalente
Discontinuo
Continuo
Escala considerada en este estudio
Figura 1. Comportamiento del macizo rocoso de acuerdo
con su estructura.
Cuando se estudian las características de las
discontinuidades, el ingeniero geotécnico se
encuentra que las metodologías existentes para la
obtención de los parámetros de su resistencia al
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
Determinación semi-empírica de la resistencia al corte en discontinuidades con diversas condiciones de
alteración
2
corte son muy variadas, mientras que su
aplicabilidad depende de las condiciones de la
discontinuidad y del tamaño de la muestra que se
requiere para obtener parámetros representativos de
su respuesta (Figura 2).
Para el caso de las pruebas de corte en campo y
laboratorio, su ejecución se efectúa usualmente en
muestras con dimensiones menores de 1 m, por lo
tanto, los resultados obtenidos son aplicables a la
escala del proyecto siempre y cuando las
características de la discontinuidad se conserven en
las longitudes de estudio (rugosidad, tipo de relleno,
alteración y continuidad). Las metodologías de
ejecución de pruebas de corte directo en
discontinuidades, obtenidas de muestras cúbicas o
núcleos, están descritas en ISRM (2014); mientras
que la obtención indirecta de la resistencia al corte
en juntas sanas, a partir de ensayes triaxiales en
roca, es detallada por Goodman (1980).
Retro análisis
y relaciones
semi-empíricas
Bases de datos de pruebas
Corte en
muestras
cúbicas
Relleno
> 5 mm
10
6
Corte en
núcleos
8
Relleno
< 5 mm
4
Barton-Choubey
Barton-Bandis
Contacto
roca-roca
2
Triaxial
Condiciones de la discontinuidad
12
Triaxial en
relleno
Zona de
falla
14
0
0.1
1
Muestras de laboratorio
10
Datos de campo
Dimensión representativa
de la discontinuidad (m)
Figura 2. Metodologías comúnmente empleadas para la
determinación de resistencia de discontinuidades.
La ejecución de pruebas de corte en escalas
mayores es poco usual, debido a las implicaciones
técnicas y económicas que conllevan los ensayos.
Por lo tanto, es común que la evaluación de
parámetros de resistencia al corte a escalas
representativas del problema, se obtengan mediante
la aplicación de factores de escala o retro análisis.
Dentro de las metodologías que incluyen la
asignación de factores de escala se incluye la
propuesta de Barton-Bandis (1982), que se aplica al
criterio formulado originalmente por Barton (1973),
mediante el cual se obtiene la resistencia al esfuerzo
cortante de discontinuidades a partir de la rugosidad
y la resistencia de las paredes en contacto, sin
embargo, esta metodología solo es aplicable en
casos donde la discontinuidad presenta un contacto
sano roca-roca, sin relleno ni alteración importante.
En el caso de discontinuidades que combinan
diferentes condiciones de alteración, relleno o
rugosidad a gran escala, solo el retro análisis de
casos representativos en el área de estudio puede
generar resultados confiables.
Si la discontinuidad presenta rellenos de espesor
importante de materiales cohesivos o friccionantes,
es común emplear valores de resistencia obtenidos
de pruebas triaxiales no drenadas, siempre y cuando
los tamaños máximos de partícula en el relleno no
afecten los resultados de la prueba.
A su vez, y dentro de ese gran rango de
metodologías, existe un grupo de procedimientos
que se basan en revisiones semi-empíricas, las
cuales integran en su evaluación ciertas
características físicas, con valores de corrección
derivados de trabajos experimentales o retro análisis
verificados en campo, los cuales forman parte de un
modelo basado en leyes físicas aceptadas en el
campo de aplicación de la mecánica de rocas (ver
Patton 1966).
Algunas de estas metodologías se basan en la
evaluación de la resistencia al esfuerzo cortante de
las discontinuidades (a una escala representativa),
empleando información de la rugosidad, el ángulo de
dilatancia, características del relleno y continuidad
(Hencher et al. 2011; Sasaki et al. 2012); en estos
casos los autores han establecido que la
combinación de pruebas de laboratorio y mediciones
en campo, así como el juicio de expertos, son
necesarios
para
generar
una
adecuada
caracterización y estimación del comportamiento de
las discontinuidades.
Por otro lado, existen bases de datos que cubren
un espectro de condiciones más amplio (Hack y
Price, 1995; Flores y Karzulovic, 2003); sin embargo,
la aplicación de estas herramientas obedece a
problemas particulares y de acuerdo con Hoek
(2007): “…cada diseño es único y por lo tanto; la
aceptabilidad del proyecto tiene que ser considerada
en términos del conjunto particular de las
circunstancias geológicas, los tipos de rocas, las
cargas de proyecto y los usos finales para el cual
está destinado”.
Con la finalidad de contar con una herramienta
que apoye en la determinación de la resistencia al
esfuerzo
cortante
de
discontinuidades
y
complemente los resultados obtenidos de pruebas
de campo y laboratorio, en este documento
revisamos una metodología semi-empírica propuesta
por Barton (2002), cuyo rango de aplicación permite
obtener resultados aproximados en cada uno de los
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
López-Molina et al.
tipos de discontinuidades presentados en estos
antecedentes.
2 METODOLOGÍA BASADA EN EL
COMPONENTE FRICCIONAL
La metodología empleada para la evaluación de la
resistencia de las discontinuidades, se basa en el
principio del componente friccional propuesto por
Barton (2002), el cual se deriva del parámetro Jr/Ja
del valor de Q (Barton et al., 1974), que relaciona la
rugosidad y la alteración de las discontinuidades.
De acuerdo con Barton (2002);…el retro análisis y
ajuste de los parámetros del valor Q en diferentes
casos, ha demostrado que la magnitud tan-1(Jr/Ja),
produce valores muy realistas del ángulo de fricción
(), o del ángulo de fricción y su componente de
dilatancia o contracción (+i y -i respectivamente).
Estos valores pueden ser obtenidos para un amplio
rango de condiciones, desde las discontinuidades
roca-roca limpias y rugosas (79°), hasta
superficies de falla rellenas de arcilla (3°).
A continuación se describen los conceptos y
metodologías de obtención en los que se basa esta
propuesta.
2.1 Rugosidad de la Junta (Jr)
El parámetro Jr se obtiene de la relación Jr = js x jw,
donde js representa la rugosidad del plano a
pequeña escala (medida en longitudes menores a 10
cm) y jw, la ondulación o rugosidad del plano a gran
escala (para longitudes mayores a 50 cm). Las
metodologías de campo para la obtención de estos
dos parámetros han sido ampliamente descritas por
diferentes autores (Palmstrom,1995; Morelli, 2013).
Para el caso particular de este estudio, ambos
parámetros
se
obtuvieron
siguiendo
las
recomendaciones de Palmstrom (1995).
2.1.1 Rugosidad a pequeña escala (js)
La medición de js generalmente se efectúa en
discontinuidades ubicadas en afloramientos o en
núcleos de roca, donde la longitud de la muestra es
de unos centímetros. Entre las metodologías de
obtención de este parámetro se encuentran:
 Empleo de perfilómetro para capturar la geometría
de las rugosidades en la discontinuidad y realizar
su comparación posterior con perfiles estándar
(Barton y Choubey, 1977).
 Evaluación táctil de la discontinuidad y su
comparación con una superficie de referencia
(Palmstrom, 1995).
 Obtención de la rugosidad a partir de sondeos
ópticos en barrenos (Song et al., 2013).
Los valores del parámetro js para diferentes
condiciones de la discontinuidad se indican en la
Tabla 1.
3
Tabla 1. Valores de rugosidad a pequeña escala (js)
Características de la discontinuidad
js
Muy Rugosa
Rugosa e irregular
Ligeramente rugosa
Lisa
Pulida
Espejo de falla
2
1,5
1.25
1
0,75
0,5
2.1.2 Ondulación o rugosidad a gran escala (jw)
La medición de jw se realiza preferentemente en
discontinuidades
ubicadas
en
afloramientos,
seleccionando
longitudes
de
observación
representativas para el problema que se estudia y
realizando la medición en la dirección potencial de
deslizamiento. Entre las metodologías comúnmente
empleadas para su medición se encuentran:
 Medición del ángulo de inclinación de la rugosidad
empleando una brújula sobre bases de diferente
longitud (ISRM, 2007).
 Medición de la amplitud máxima de las asperezas
(a) y su relación con la longitud de medición (L).
(Palmstrom, 1995; ISRM, 2007)
 Caracterización topográfica de superficies con
procesamiento de imágenes, interferometría y
otras técnicas ópticas avanzadas (Lanaro, 2000;
Feng et al., 2003).
Para este estudio se empleó la metodología basada
en la medición de los parámetros a y L,
considerando que es de relativa sencilla ejecución y
que permite la obtención de un mayor número de
datos. La Figura 3 muestra las escalas de medición
para la obtención de js y jw bajo esta metodología,
así como los valores equivalentes del JRC (Joint
Roughness Coefficient del criterio Barton-Choubey).
Los valores del parámetro jw para diferentes
condiciones de la discontinuidad se indican en la
Tabla 2.
Tabla 2. Valores de ondulación (jw)
Características de la discontinuidad
Junta discontinua
Fuertemente ondulada
Moderadamente ondulada
Ligeramente ondulada
Plana
jw
4
2,5
2
1,4
1
2.2 Alteración (Ja)
El parámetro Ja considera la condición de las
paredes de la discontinuidad y de forma implícita su
resistencia; la alteración que presenta y el tipo de
relleno en función de su espesor. Los valores del
parámetro Ja para diferentes condiciones se indican
en la Tabla 3.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
4
Determinación semi-empírica de la resistencia al corte en discontinuidades con diversas condiciones de
alteración
2.3 Consideraciones adicionales
Amplitud de las asperezas, a (mm)
Durante el levantamiento de los parámetros js, jw y
Ja, los valores fueron clasificados de acuerdo con el
tipo de discontinuidad (fractura, estratificación, falla,
etc.); así como por familias, en función de su
dirección y echado. En el caso de los levantamientos
generados a partir de núcleos de roca, esta
información se complementó con datos obtenidos de
sondeos ópticos (OPTV, optical televiewer).
Para optimizar la información disponible de cada
parámetro, se empleó la metodología de
levantamiento propuesta por Barton (2002),
generando histogramas para la identificación de
rangos típicos de valores, valores más frecuentes y
media pesada.
Las excavaciones se realizarían en rocas calizas
con carst ligeramente desarrollado; la geología
estructural evidenció la formación de bloques de
roca con potencial de salida hacia la excavación con
tamaños mayores a 1m3.
Una limitación importante durante la ejecución del
estudio, fue la presencia de una capa de depósito de
talud de espesor importante, lo cual impidió detallar
la exploración superficial y, por lo tanto, contar con
puntos verificables de patrones de afloramiento.
Tabla 3. Valores del parámetro Ja
Características de la discontinuidad
Ja
Contacto roca-roca
Muy cerrado, duro, relleno de cuarzo,
impermeable
0.75
Paredes no alteradas, sin relleno,
coloreadas, manchadas
1
Paredes Ligeramente alteradas (partículas
de arena o roca desintegrada sin arcilla)
2
Cubierta de materiales friccionantes (limo o
arena arcillosa, poca arcilla)
3
Cubiertas con minerales arcillosos, suaves o
poco friccionantes (caolín, mica, clorita,
yeso, grafito, etc.)
4
Contacto parcial entre paredes, rellenos menores de
5mm
Materiales friccionantes (limo o arena sin
arcilla)
4
Materiales cohesivos duros (arcilla, talco,
clorita, etc.)
6
Materiales cohesivos suaves (arcilla plástica)
Arcilla expansiva (montmorillonita)
8
10
Paredes separadas, rellenos mayores de 5mm
Longitud del perfil, L (m)
Rugosidad
Ondulación
Figura 3. Escalas de medición de la rugosidad a pequeña
escala (js) y ondulación (jw), comparación con los valores
de JRC (adaptada de Palmstrom, 1995).
3 EJEMPLOS DE APLICACIÓN
3.1 Excavación a cielo abierto
3.1.1 Características del proyecto
Excavación de taludes para la construcción de un
canal con altura máxima de cortes alrededor de 60
m.
Zonas de rellenos friccionantes (limo, arena,
roca desintegrada) o cohesivos duros
(arcilla, talco, clorita, etc.)
8
Zonas de rellenos cohesivos duros (arcilla,
talco, clorita, etc.)
8
Zonas de materiales cohesivos suaves
(arcilla plástica)
12
Zonas con espesores importantes de arcilla
expansiva
18
3.1.2 Objetivos del estudio
Identificar planos de estratificación con condiciones
desfavorables (con suficiente continuidad y rellenos
arcillosos) que pudieran facilitar el deslizamiento de
bloques de dimensiones mayores a las definidas por
la geología estructural.
3.1.3 Evaluación y Resultados
Debido a las limitaciones relacionadas con el
levantamiento de afloramientos superficiales, se
empleó la información de diferentes barrenos
distribuidos sobre el trazo del canal. La evaluación
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
López-Molina et al.
permitió generar un perfil de componentes
friccionales contra profundidad (Figura 4). Con esta
información se identificó la presencia de una zona de
roca descomprimida en los primeros 15 a 20 m
superficiales, donde las características de las
discontinuidades fueron más desfavorables.
46°; este valor se ubicó dentro del rango de la media
más una desviación estándar obtenida de los
levantamientos de barrenos (Figura 6).
0-20 m
20-60 m
Componente friccional (grados)
0
10
20
30
40
50
60
0-20 m
= 29
= 12,3
70
Frecuencia relativa
0
10
Profundidad (m)
20
5
20-60 m
= 39
= 14,5
30
40
Componente friccional (grados)
Figura 5. Distribuciones de componentes friccionales
para la zona ubicada de 0 a 20 m y de 20 m en
adelante.
50
60
Estratificación
= 35
= 14,3
Figura 4. Componente friccional en discontinuidades
en relación con la profundidad. Las curvas indican la
concentración
de
discontinuidades
con
características similares.
En la Figura 5 se presenta la diferencia entre los
valores de componente friccional para la zona
superficial y profunda con medias de 29° y 39°
respectivamente, así como los intervalos de 90% de
confianza con diferencias alrededor de 20°en sus
límites superior e inferior.
En zonas más profundas las condiciones de las
discontinuidades mejoraron y no se identificó una
elevación en particular donde se concentraran
discontinuidades con condiciones desfavorables,
tampoco se identificaron zonas con oquedades de
dimensiones importantes que pudieran comprometer
la estabilidad de algunos bloques de roca.
La identificación de las características de las
discontinuidades en zonas desfavorables (donde no
se pudo recuperar el material de la perforación), se
optimizó mediante el empleo de sondeos ópticos en
los barrenos.
Los resultados obtenidos mediante esta
herramienta fueron comparados con información de
pruebas de corte directo ejecutadas en muestras
cúbicas de la estratificación, en las cuales se obtuvo
un valor de ángulo de fricción residual alrededor de
Frecuencia relativa
70
Componente friccional (grados)
Figura 6. Distribución de componentes friccionales
para la estratificación.
Posteriormente y de forma más puntual, se
identificaron las condiciones de las discontinuidades
con valores de fricción extremos; para los valores
más bajos, alrededor de 17°, se identificaron
estratificaciones abiertas rellenas de arcilla, mientras
que para los valores alrededor de 60°, se observaron
contactos roca-roca ondulados o con presencia de
estilolitas (figura 7).
En el caso de las estratificaciones con rellenos
arcillosos, cuyas propiedades representaron un
parámetro crítico para el diseño, no se detectó
continuidad de esta condición entre barrenos de
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
6
Determinación semi-empírica de la resistencia al corte en discontinuidades con diversas condiciones de
alteración
exploración aledaños, lo cual influiría en la
posibilidad de que se presentara el deslizamiento de
bloques de dimensión importante, sin embargo, para
los diseños se consideró la posibilidad de encontrar
esta condición en bloques de tamaño promedio.
río. La roca del sitio es de origen sedimentario y
consiste en una intercalación de conglomerados,
areniscas y lutitas (Figura 9).
Dado que el buzamiento de los estratos presenta
condiciones que eventualmente podrían permitir la
falla por deslizamiento, fue necesario contar con
información puntual del material de desplante.
Debido a que durante la etapa de estudios, la
zona de cimentación se encontró inundada, los
requerimientos de evaluación de afloramientos y
levantamiento de datos no pudieron realizarse,
limitando su caracterización al uso de barrenos y
socavones de exploración cercanos al sitio.
Figura 7. Estructura de estilolita paralela al plano de
estratificación
3.1.5 Limitaciones
La determinación del componente friccional para una
escala representativa del problema, requiere del
levantamiento del parámetro jw en afloramientos, por
lo tanto, se optó por el empleo de parámetros
conservadores en función de algunos datos
disponibles (valores de jw entre 1 y 2).
Durante la etapa de construcción del proyecto
será necesario ajustar estos valores y los diseños
respectivos de acuerdo con las condiciones
encontradas.
3.2 Cimentación de una estructura
3.2.1 Características del proyecto
El proyecto corresponde a la cimentación de una
estructura civil (presa de concreto) en el lecho de un
31.2%
3.1%
35.8%
66.7%
Sin tratamiento
Anclaje:  3.81 cm;
longitud 9 m; patrón
2,5x2 m
Frecuencia relativa
3.1.4 Ventajas-Aplicaciones de diseño
Esta herramienta permitió la caracterización de la
resistencia a la fricción de discontinuidades, dadas
las dificultades para la extracción de muestras
cúbicas en calizas. La selección de los parámetros
de resistencia de las discontinuidades se realizó en
función de su ubicación espacial (sobre el trazo del
canal y a profundidad) y su naturaleza (falla, fractura,
discontinuidad). La información disponible facilitó la
ejecución de análisis de equilibrio límite de cuñas
tridimensionales, empleando las distribuciones de las
propiedades geométricas y mecánicas de las
discontinuidades, para la obtención de la
probabilidad de falla bajo diferentes condiciones de
funcionamiento del canal (Figura 8).
Factor de Seguridad
Figura 8. Ejemplo de cuña analizada en el talud y
determinación de probabilidad de falla con y sin
tratamiento.
3.2.2 Objetivos
Caracterizar la resistencia al esfuerzo cortante de los
diferentes estratos bajo la cimentación e identificar
discontinuidades
desfavorables
ubicadas
a
profundidades que pudieran comprometer la
estabilidad de la estructura.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
López-Molina et al.
3.2.3 Evaluación y Resultados
Mediante el análisis de los núcleos recuperados de
barrenos y la discretización de datos de acuerdo a
cada uno de los materiales identificados, se generó
la distribución del componente friccional de las
discontinuidades en cada uno de los materiales
presentes en el sitio.
Lutita
Arenisca
Conglomerado
7
Los estratos de lutita fueron caracterizados con
especial atención por su naturaleza y las
probabilidades de que presentaran valores de
resistencia menores en relación con los estratos
ubicados en otros materiales. Se generaron pruebas
de corte en muestras cúbicas de la estratificación
obtenidas en socavones; los especímenes
seleccionados presentaron las condiciones más
desfavorables (rellenos de arcilla y zonas de cizalla);
de los cuales se obtuvieron valores del ángulo de
fricción residual entre 10° y 25° (Figura 11).
0.40
0.35
Esfuerzo tangencial (MPa)
Arenisca
Lutita
Conglomerado
30
20
10
0m
Como ejemplo, la Figura 10 muestra la
distribución de ángulos de fricción con la profundidad
de las discontinuidades (fracturas y estratificación),
ubicadas en las areniscas y los conglomerados del
sitio, las cuales se presentaron contactos sanos en
la mayor parte de los casos.
componente friccional mínimo
Componente friccional (grados)
(grados)
0
10
20
30
40
50 10
0
10
20
20
30
40
50
60
70
Profundidad
Profundidad (m)
10
20
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
Figura 9. Litología del sitio estudiado.
0
0.30
30
40
50
60
Conglomerado
= 36
= 12,5
Intervalo 90%= 20 – 63
30
40
50
Arenisca
60
= 32
= 13,3
Intervalo 90%= 19 – 68
70
Figura
10.
Componente
friccional
en
discontinuidades ubicadas en las areniscas y
conglomerados, en relación con la profundidad. Las
curvas indican la concentración de discontinuidades
con características similares.
0.00
0.0
0.5
1.0
Esfuerzo Normal (MPa)
1.5
Figura 11. Resultados de pruebas de corte directo en
muestras de estratificación en lutita.
La comparación de resultados de laboratorio y los
obtenidos mediante levantamientos de campo se
muestra en la Figura 12.
En esta gráfica se puede corroborar que las
muestras seleccionadas para la ejecución de las
pruebas de laboratorio se ubican en el rango de
condiciones más desfavorables y que ambos grupos
de datos tienen una media muestral similar, esto se
atribuyó principalmente a que la ondulación en las
discontinuidades con rellenos, tiene una aportación
limitada en su resistencia y, por lo tanto, las pruebas
de laboratorio en estos casos suelen ser
representativas a la escala del proyecto.
Por otro lado, esta comparación también confirma
la probabilidad de se presenten condiciones más
favorables, si se considera el intervalo de 90% de
confianza obtenido en campo, el cual indica
componentes friccionales de hasta 55°. Esta
condición de la estratificación fue observada en el
socavón de exploración, en juntas sanas o con
limitada alteración, donde la rugosidad a gran escala
medida en tramos de hasta 5 m arrojó valores de jw
máximos de 2,5 (discontinuidades fuertemente
onduladas). Adicionalmente, estos datos podrían ser
conservadores si se toman en cuenta longitudes de
observación mayores, debido a la presencia de fallas
que limitan la continuidad de la estratificación.
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
8
Determinación semi-empírica de la resistencia al corte en discontinuidades con diversas condiciones de
alteración
Campo
Laboratorio
Frecuencia relativa
Laboratorio
= 19
= 4,7
Campo
= 24
= 13,3
Componente friccional (grados)
Figura 12. Comparación de ángulos de fricción
obtenidos de laboratorio y de levantamientos de
campo en la estratificación de lutitas.
3.2.4 Ventajas - Aplicaciones de diseño
Se generó información para un amplio rango de
condiciones de discontinuidades, desde juntas en
contacto, rugosas y onduladas en los conglomerados
( > 50°), hasta juntas rellenas de arcilla en lutitas (
 7°). La información disponible facilitó la generación
de un modelo de elementos finitos y representación
explícita de discontinuidades (JFEM, Riahi et al.,
2010), para la evaluación de la estabilidad de la
estructura civil ante deslizamiento, considerando la
influencia de cada tipo de discontinuidad en el
macizo rocoso, así como la variación de sus
parámetros de resistencia, Figura 13.
encontrados, discontinuidades principales, sistemas
de fracturamiento asociados a la geología del sitio,
interfaces concreto-roca en el piso de cortina y
propiedades geomecánicas definidas.
De los resultados obtenidos en el modelo, se
observó que tanto para la condición de subpresión
como para la condición de deslizamiento, el modelo
se mantiene estable sin inducir esfuerzos
desviadores que no puedan ser resistidos por la
cimentación, la interfaz entre concreto roca o el
conjunto de discontinuidades.
Se concluyó que la interacción entre la estructura
y el terreno de cimentación es de tipo elástica sin
presentar condiciones de plasticidad salvo en
condiciones de extremo trabajo (incremento de las
cargas actuantes mayor a dos). Por su parte, el
control y la estabilidad de la estructura, se obtiene
por la forma de la cimentación, siendo los
dentellones los encargados de brindar el equilibrio de
la estructura.
Los
mecanismos
de
rotura
observados,
coincidieron con la hipótesis de la formación de
bloques cinemáticamente admisibles (Figura 14).
Figura 14. Mecanismo de falla por deslizamiento de
la estructura, se presenta una rotura del desplante
de forma escalonada.
Figura 13. Modelo de elementos finitos
representación explícita de discontinuidades.
y
Como tal el modelo generado permite una
simulación del comportamiento bidimensional de la
estructura civil y su interacción con el terreno, en el
cual se incluyen los espesores de los materiales
3.2.1 Limitaciones
Para la evaluación de condiciones de ondulación de
las discontinuidades se contó con afloramientos y
socavones de dimensiones adecuadas, sin embargo,
la variabilidad de condiciones encontradas obliga a
que la optimización de parámetros para el diseño, se
obtenga a partir de información medida durante la
etapa de construcción.
Aunque esta metodología resultó muy adecuada
para la identificación de la variabilidad del ángulo de
fricción en el sitio, aún son necesarios otros
parámetros para la modelación del problema de
forma discontinua (principalmente los relacionados
con la rigidez normal y cortante de las
SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.
López-Molina et al.
discontinuidades), lo cual requiere de trabajos de
laboratorio adicionales o la verificación de otras
correlaciones propuesta por Barton y Bandis (1982) y
Bandis et al. (1983).
4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Los casos presentados en este documento
expusieron las ventajas del empleo de la
metodología de caracterización de discontinuidades
propuesta por Barton (2002), sin embargo, también
es importante tomar en cuenta que esta herramienta
debe emplearse como apoyo para la toma de
decisiones y selección de parámetros, pero no puede
ni debe sustituir la ejecución de pruebas de campo y
laboratorio, ni el juicio del ingeniero.
Una de las ventajas de la aplicación de esta
metodología es que permite visualizar la distribución
espacial de la resistencia de las discontinuidades y
de forma implícita de la calidad del macizo rocoso, lo
cual es difícil de lograr con la información obtenida
de pruebas, por la cantidad limitada de muestras que
es factible ensayar.
La flexibilidad de esta herramienta para
caracterizar un amplio rango de condiciones de
discontinuidades,
permite
contar
con
más
información de la variabilidad de este parámetro y de
la representatividad de las muestras ensayadas en
campo o laboratorio, lo cual también facilita la
generación de evaluaciones probabilísticas del
problema.
La aplicación de esta herramienta en macizos
rocosos de naturaleza diferente a la presentada aún
debe ser verificada; así como el ajuste de
parámetros para escalas representativas del
problema, lo cual podría ser verificado mediante
instrumentación durante la etapa de construcción,
sin embargo, seguirá representando un reto durante
la etapa de diseños preliminares.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a la Comisión Federal de Electricidad
las facilidades otorgadas para la publicación de esta
información. Especialmente el trabajo y apoyo de los
grupos de Geología y Mecánica de Rocas de la
Gerencia de Estudios de Ingeniería Civil de la CFE.
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