5.4. Deformabilidad del macizo rocoso

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