METODOS DE EXPLORACION EN ROCA

EXPLORACIÓN Y MUESTREO
La exploración de un sitio para una obra civil, consiste fundamentalmente en la recopilación de
datos de Geología y Geotecnia, obtenidos de trabajos de campo y pruebas de laboratorio. Se
desarrolla en cuatro etapas, iniciándose con el reconocimiento preliminar, al que le sigue una
investigación detallada, empleando métodos directos e indirectos, se continúa durante la etapa de
construcción y aún durante la operación de la obra, como se describe en la tabla 1.6
TABLA 1.6
Preparado por:
I. 1
ESTUDIOS PRELIMINARES
Consisten esencialmente en un análisis de la información existente del área de proyecto y las
visitas de reconocimiento del sitio, a fin de contar con las observaciones y datos que permitan
definir los lugares más adecuados para la construcción de la obra, con base en las condiciones
geológicas y geotécnicas de la zona.
a) Recopilación de información
El estudio geotécnico se inicia con la recopilación de la información disponible sobre topografía,
geología y comportamiento de estructuras construidas en predios o zonas cercanas a la del
proyecto; conviene reunir planos topográficos, geológicos y edafológicos, cartas de uso potencial
del suelo, así como datos sobre la estratigrafía y características estructurales de la región. La
información recopilada se estudiará para identificar, de manera preliminar, las condiciones
geológicas y geotécnicas que prevalecen en el sitio de estudio.
b) Reconocimiento preliminar
El reconocimiento preliminar es la inspección del sitio que permite evaluar la información recopilada
previamente y complementarIa con observaciones de campo para determinar la factibilidad de
construcción de alguna obra civil y fundamentar el programa detallado de exploración.
El alcance de este primer contacto físico con la región dependerá de la importancia de la obra y de
las características del subsuelo. Algunas veces basta este reconocimiento para desechar el sitio
previamente elegido.
El reconocimiento debe proporcionar información acerca de la accesibilidad, recursos humanos y
materiales del sitio, permitir conocer el ambiente geológico general, identificar las estructuras
geológicas significativas, localizar fallas y fracturas, conocer la geomorfología, los procesos
erosivos actuantes en el sitio, el tipo de drenaje superficial y subterráneo y el espesor de suelo.
ESTUDIOS DE DETALLE
METODOS INDIRECTOS
MÉTODOS GEOFÍSICOS
Son las técnicas basadas en la medición de ciertas propiedades físicas de los materiales que
constituyen el subsuelo, empleando para ello equipos portátiles y de fácil operación que permiten
conocer la estratigrafía y las características de los materiales. La utilización de los métodos
geofísicos de exploración puede redundar en una economía, al reducir la magnitud de las
exploraciones directas. Debe hacerse notar que en terrenos de morfología accidentada, se dificulta
la interpretación de los resultados.
REFRACCION SISMICA
Este método se basa en medir las velocidades de propagación de las ondas elásticas en los
diferentes medios del lugar, provocando artificialmente perturbaciones dinámicas en un punto del
suelo que dan origen a: ondas longitudinales y transversales, que permiten deducir por el estudio
de sus reflexiones y refracciones, las profundidades, espesores de capas y calidad de los
materiales. En la figura 1.4 se presenta esquemáticamente la propagación de las ondas.
Preparado por:
I. 2
FIGURA 1.4.- PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SÍSMICAS
Preparado por:
I. 3
EQUIPO DE MEDICIÓN
Está integrado por tres unidades básicas: el mecanismo de generación de la onda, el conjunto de
geófonos captadores y el aparato registrador (Fig. 1.5)
FIGURA 1.5.- ESQUEMA DEL EQUIPO SISMOGRÁFICO
-- Mecanismo de generación de la onda
El más simple es un martillo pesado equipado con un micro-interruptor montado en un mango, que
al golpear una placa metálica asentada en la superficie genera la onda y simultáneamente opera al
micro-interruptor que a su vez activa al aparato registrador para indicar el inicio de la prueba. El
martillo se usa para estudios someros (10 m); para los de mayor profundidad, la onda se genera
con la explosión de una pequeña carga de dinamita colocada en una perforación de menos de 1 m
de hondo, mediante un detonador eléctrico instantáneo.
-- Geófonos
Son dispositivos electromagnéticos que captan las oscilaciones del suelo y las transforman en
señales eléctricas. Los geófonos comunes únicamente registran la componente vertical del
movimiento y su sensibilidad varía entre 5 y 100 cps; su construcción es robusta y en el eje vertical
tienen una punta para hincarse en el suelo (fig 1.6).
FIGURA 1.6.- ESQUEMA DE UN GEÓFONO TIPO ELECTROMÁGNETICO
-- Aparato registrador
Es un oscilógrafo cuyos elementos sensibles (canales) son de 2 a 12 pequeños galvanómetros que
vibran al recibir la señal de los geófonos. Los galvanómetros llevan adheridos pequeños espejos,
en los que inciden rayos de una fuente luminoso fija y los reflejan a papel fotosensible con una
escala de tiempo, registrándose así el arrivo de las ondas. Además de los anteriores, existen
Preparado por:
I. 4
oscilógratos que registran el fenómeno ya sea en cinta magnética, en pantalla luminosa o
digitalmente.
PROCEDIMIENTO DE PRUEBA
En una línea de medición usualmente se colocan de 6 a 12 geofónos alineados, en un extremo se
ubica el aparato que genera la onda y en el opuesto se coloca el oscilógrafo. La longitud total de la
línea de geófonos (L) se condiciona a 3 veces la profundidad (D) a la cual interese hacer la
exploración; los geófonos se ubican equidistantes entre sí, o bien, más cercanos en el extremo en
el que se genera la onda (pero a no menos de 2 m) y a distancias mayores en la parte más alejada
(pero a no más de 20 m). En condiciones estratigráficas simples, en que las fronteras entre
estratos sean paralelas a la superficie, una sola prueba podrá dar información suficiente; pero por
lo general, es necesario realizar una segunda prueba, generando la onda en el otro extremo de la
línea.
FIGURA .- GRÁFICA DISTANCIA-TIEMPO PARA EL CASO DE DOS CAPAS PARALELAS A LA SUPERFICIE DEL
TERRENO
INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS
--Estratigrafía
Se basa en la ley de refracción de las ondas en medios elásticos, de la cual se deducen las
siguientes expresiones:
Para el caso de dos capas paralelas, y V2 >. V1 , el espesor h será (fig 1.7):
h=
do v2 − v1
2 v2 + v1
Ec 1.1
Para el caso de tres estratos paralelos, y V3 > V2 > V1 , los espesores se obtienen mediante:
 1 v 2 − v1 
h1 = do1 
 Ec. 1.2
 2 v 2 + v1 
Preparado por:
I. 5
 1 v3 − v 2 
h2 = Ph1 + do2 
 Ec. 1.3
 2 v3 + v 2 
donde:
do1 y do2 son las distancias aparentes al cambio de velocidad (fig 1.7)
P
es el factor de corrección, aproximadamente = 0.8
--Identificación de suelos
La identificación de los suelos y rocas se hace comparando las velocidades de propagación de
ondas longitudinales con las correspondientes a casos conocidos. En la tabla 1.7 se muestra una
recopilación de valores.
Tabla 6.1. Velocidad de propagación de ondas elásticas en suelos y rocas
MATERIAL
VELOCIDAD Km/s ARABILIDAD
CONDICION
SUELOS
Limos y arenas
Compactos
Sueltos
0.4-0.7
0.2-0.4
Arables
Arables
Arcillas
Duras
Blandas
0.6-1.0
0.2-0.3
Arables
Arables
Boleos y gravas
-
0.2-0.4
Arables
Sano
Poco fracturado
Muy fracturado
Alterado
4.5-6.0
1.5-4.5
0.7-1.8
0.4-1.0
Explosivos
Explosivos
Explosivos
Explosivos o Intermedio
Poco fracturadas
Muy fracturadas
Alteradas
3.8-5.0
1.5-3.8
0.9-1.5
Explosivos
Explosivos
Arable
Sanos
Poco fracturados
Muy fracturados
Alterados
5.0-6.0
1.4-5.0
0.7-1.4
0.5-0.7
Explosivos
Explosivos
Explosivos
Intermedio o arables
Sanas
Poco fracturadas
Muy fracturadas
Alteradas
1.4-1.8
1.2-1.6
0.4-1.2
0.3-0.7
Intermedio
Intermedio
Arables
Arables
ROCAS ÍGNEAS
Granito
Riolita y andesita
Basaltos
Tobas
Preparado por:
I. 6
ROCAS SEDIMENTARIAS
Calizas
-
1.5-4.0
Explosivos
Areniscas
-
0.6-2.5
Arables hasta 0.8 km/s
aproximadamente;
después requiere
explosivos.
Aglomerados
-
0.2-0.9
Arables
Conglomerados
-
1.0-3.0
Generalmente
explosivos
Lutitas
Duras
Blandas
1.2-4.0
0.6-1.4
Explosivos
Arables
TABLA 1.7.- INTERVALO APROXIMADO DE LA VELOCIDAD DE ONDA LONGITUDINAL PARA DIVERSOS
MATERIALES REPRESENTATIVOS
-- Módulo dinámico
Se calcula considerando un valor probable de la relación de Poisson para aplicar la ecuación 1.4.
Si se realizan determinaciones de la velocidad de propagación de las ondas transversales o de
corte, con las ecuaciones 1.4 y 1.5 siguientes se puede deducir el módulo elástico y la relación de
Poisson correspondiente.
VL =
1− 
Ec. 1.4
 (1 +  )(1 − 2 )
E din
VT =
E din
1
Ec. 1.5
 2(1 +  )
donde:
VL velocidad de las ondas longitudinales, en m/s
VT velocidad de las ondas transversales, en m/s

relación de Poisson
Edin módulo de elasticidad dinámico del medio en t/m 2

densidad del material, en ton s2/m4
COMENTARIOS
La principal aplicación de este método puede ser la de determinar la profundidad de la roca bajo un
depósito aluvial de difícil exploración directa.
La interpretación de la prueba debe necesariamente correlacionarse con la información de los
sondeos convencionales, porque tiene la limitación de no detectar la presencia de estratos blandos
que subyacen a otros duros, debido a las condiciones de refracción que se desarrollan. Es
necesario también efectuar para cada línea de registro dos pruebas, una generando la onda en un
extremo de la línea y la otra generando la onda en el contrario. La detección de cavernas, aún con
el procedimiento descrito, es poco confiable.
Preparado por:
I. 7
MÉTODO GEOFÍSICO DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA
Este se basa en la interpretación del campo eléctrico creado por la circulación de una corriente
eléctrica en el subsuelo (natural o artificial), estableciendo una relación entre los parámetros físicos
que intervienen en la propagación de la corriente y las características físicas de los materiales
empleando para ello aparatos receptores y transmisores. Se pueden utilizar para la localización de
minerales, acuíferos y estructuras geológicas.
EQUIPO DE MEDICION
Está compuesto por una fuente de poder, un voltímetro, un amperímetro, cuatro electrodos y
cables conductores; los equipos comerciales integran la fuente de poder con el voltímetro y el
amperímetro en una unidad compacta. Los electrodos son varillas usualmente de bronce de 2 cm
de diámetro y 50 cm de longitud, con un extremo en punta para hincarse en el terreno. Los cables
de conexión son de cobre con forro de neopreno.
PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA
Para la exploración geoeléctrica se han desarrollado diversos métodos; el denominado arreglo de
Wenner es el mas utilizado por su simplicidad. Tiene dos técnicas de operación: SONDEO
ELÉCTRICO, que estudia la estratigrafía según una vertical, y RASTREO ELÉCTRICO, que lo
hace conforme una horizontal a cierta profundidad; combinando ambas técnicas se puede tener
una idea clara de las condiciones del subsuelo del sitio.
El campo eléctrico se induce al terreno con dos electrodos, denominados de corriente, que se
hincan y conectan mediante el cable a la fuente de poder y el amperímetro; entre estos electrodos
se hincan dos de potencial conectados al voltímetro. Con el amperímetro se mide la intensidad de
la corriente inducida al terreno y con el voltímetro la diferencia de potencial entre los electrodos
centrales.
Las distancias entre electrodos puede variarse dando lugar a diferentes arreglos; en el más usual,
conocido como Wenner, los electrodos se instalan alineados con separación equidistante h; con
este arreglo la medición hecha es representativa del material a la profundidad h.
El sondeo eléctrico se realiza manteniendo el centro del arreglo Wenner fijo e incrementando la
separación h; en cambio en el rastreo eléctrico únicamente se cambia de lugar el arreglo (de igual
h) sobre una retícula trazada en la superficie. Se combinarán el sondeo y el rastreo para definir las
condiciones geológicas de lugar. Ambas técnicas deben iniciarse determinando la resistividad del
estrato más superficial, colocando los electrodos con una separación menor que el espesor del
primer estrato. El arreglo de los electrodos se muestra en la fig 1.8.
Preparado por:
I. 8
FIGURA 1.8.- ESQUEMA DEL EQUIPO ARREGLO WENNER
INTERPRETACIÓN
La interpretación de los datos del método de resistividad consta de dos aspectos: uno cualitativo y
otro cuantitativo.
FIGURA 1.9.- DIAGRAMA REPRESENTANDO CURVAS DE ISORESISTIVIDADES
Preparado por:
I. 9
Los datos de resistividad pueden interpretarse cualitativamente construyendo diagramas de
isorresistividades aparentes (fig. 1.9), lo que permite conocer las variaciones aparentes bajo cada
centro de estudio como de estructuras, no solo horizontales sino también cuerpos subverticales
tales como fallas o diques y a profundidades mayores que no son registradas por otros métodos.
La interpretación cuantitativa puede ser efectuada comparando las resistividades aparentes
obtenidas con resistividades definidas por un corte eléctrico conocido. Esto nos da resultados y
espesores reales del corte geoeléctrico.
La identificación de los posibles materiales se hace por correlación de los valores de resistividad de
cada estrato con valores obtenidos de estudios anteriores. Algunos de estos valores se presentan
en la tabla 1.8.
TABLA 1.8.- RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DE DISTINTOS TIPOS DE ROCAS Y SUELOS
Preparado por:
I. 10
COMENTARIOS
La precisión de este método para predecir la estratigrafía de un sitio es generalmente menor que la
de refracción sísmica y por ello se utiliza menos; sin embargo, es más confiable para determinar la
posición del nivel freático y detectar estratos blandos. En la búsqueda de cavernas con esta
técnica se incurre en errores, porque las anomalías que producen zonas con diferente contenido
de agua pueden fácilmente interpretar se como cavernas.
MÉTODOS DIRECTOS
Son técnicas de exploración que mediante la obtención de muestras de suelos y rocas y la
observación de sus características in situ permiten conocer las condiciones geológicas y
geotécnicas del sitio en estudio. Incluyen los levantamientos superficiales , sondeos, socavones,
trincheras y pozos a cielo abierto.
a).- LEVANTAMIENTOS GEOLÓGICOS
Consisten en una inspección detallada de la zona de proyecto o de alguna parte de ella, utilizando
para ello equipos portátiles de medición y orientación, para obtener la información que permita
definir con precisión las condiciones geológicas del sitio bajo estudio.
DEFORMACIÓN DE LAS MASAS ROCOSAS
A).- PLEGAMIENTO Y FRACTURA ASOCIADA CON
ESFUERZOS COMPRESIVOS
B).- EXTENSIÓN Y FRACTURA ASOCIADOS CON
ESFUERZOS TENSIONALES
Preparado por:
I. 11
C).- FLEXIÓN Y RUPTURA
FIGURA 1.20.- DIAGRAMAS SIMPLIFICADOS QUE MUESTRAN VARIOS ESTADOS DE DEFORMACIÓN
TIPOS DE DEFORMACIÓN
PLEGAMIENTOS
FIGURA 1.22.- ESQUEMAS IDEALIZADOS QUE ILUSTRAN LAS CARACTERÍSTICAS ASOCIADAS CON PLIEGUES
SIMÉTRICOS. EL EJE DEL PLIEGUE EN A ES HORIZONTAL, MIENTRAS QUE EL EJE DEL PLIEGUE EN B TIENE
INMERSIÓN
Preparado por:
I. 12
DOMOS Y CUBETAS
A).- DOMO
B).- CUBETA
FALLAS
FIGURA 1.25.- LA ROCA SITUADA INMEDIATAMENTE POR ENCIMA DE UNA SUPERFICIE DE FALLA SE DENOMINA
TECHO Y LA DE DEBAJO MURO.
Preparado por:
I. 13
FIGURA 1.26.- BLOQUE DIAGRAMA QUE ILUSTRA UNA FALLA NORMAL
FIGURA 1.27.- DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE BLOQUES DE FALLA DESCENDIDOS (FOSA TECTÓNICA O
GRABEN) Y ASCENDIDOS (HORST)
RUMBO Y ECHADO
FIGURA 1.21 RUMBO Y ECHADO DE UN ESTRATO ROCOSO
Preparado por:
I. 14
b).- SONDEOS EN ROCA
Barriles muestreadores
Los barriles muestreadores son tubos que llevan en su extremo inferior una broca de insertos de
carburo de tungsteno o de diamantes industriales, que por rotación cortan anularmente la muestra
de roca; esta queda alojada en el tubo que soporta a la broca o bien en otro tubo interior protector.
Los barriles muestreadores se identifican según su diámetro como EX, AX, BX y NX; las muestras
que se recuperan varían de 22 mm a 54 mm de diámetro o incluso mayores. A continuación se
describen brevemente los barriles usuales para exploración.
Los barriles muestreadores a rotación pueden perforar cualquier tipo de suelo o roca hasta
profundidades muy elevadas y con distintas inclinaciones. La profundidad habitual no excede los
100 m, aunque pueden alcanzarse los 1000 m o más. La extracción de muestras es continua y el
porcentaje de recuperación de la muestra con respecto a la longitud perforada puede ser muy alto,
dependiendo del sistema de extracción
FIGURA 1.10.- TUBOS PORTAMUESTRAS
Preparado por:
I. 15
TABLA 1.9 DIÁMETROS COMUNES DE B ROCAS DE PERFORACIÓN
1.3.2.3.- PRESENTACION DE DATOS GEOTÉCNICOS
Perfil de un sondeo
FIGURA 1.14 PERFIL EN SUELOS
Preparado por:
I. 16
FIGURA 1.15 a.- PERFIL EN ROCAS
FIGURA 1.15 b.- PERFIL EN ROCAS
Preparado por:
I. 17
Perfiles de Socavones, pozos a cielo abierto (PCA) y Trincheras
Contendrán información más específica acerca de las formaciones que atraviesan, los rasgos
estructurales presentes en la roca del corte, las características del fracturamiento y de fallas. Las
escalas que se usan en este tipo de representaciones deberán ser grandes, es decir de 1:100 a
1:500, a fin de conocer con mayor exactitud las características de la zona donde se desarrolla este
método de exploración (fig. 1.16).
Se recomienda el empleo de socavones (fig. 1.17), PCA y trincheras en problemas específicos que
no se han podido dilucidar con otros métodos, o cuando se trata de obras que no requieren otro
tipo de exploración.
FIGURA 1.16.- PERFIL DE UNA TRINCHERA
c).- PERFIL GEOTÉCNICO INTEGRADO O SECCION GEOTÉCNICA
Preparado por:
I. 18
FIGURA 1.17.- PERFIL DE UN SOCAVÓN
FIGURA 1.18 PERFIL GEOTÉCNICO INTEGRADO
Preparado por:
I. 19
PRUEBAS DE LABORATORIO Y CAMPO
PRUEBAS DE LABORATORIO PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES ÍNDICE
PROPIEDADES
Propiedades de
identificación y
clasificación
Composición mineralógica
Fábrica y textura
Tamaño de grano
Color
Porosidad (n)
Peso específico ()
Contenido de humedad
Grado de alteración (porcentaje de absorción)
Permeabilidad (coeficiente de permeabilidad, k)
Durabilidad
Alterabilidad
Resistencia a la compresión simple
Resistencia a la tensión
Propiedades
mecánicas
Velocidad de ondas sónicas Vp y Vs
Resistencia (parámetros c y  )
Deformabilidad ( módulos de deformación elástica
estáticos o dinámicos: E ,  )
MÉTODOS DE
DETERMINACIÓN
Descripción visual.
Microscopía óptica y electrónica.
Difracción de rayos x
Técnicas de laboratorio
Ensayo de permeabilidad
Ensayo de alterabilidda
Ensayo de compresión uniaxial
Ensayo de carga puntual
Martillo Schmidt
Ensayo de tensión directa
Ensayos de tensión indirecta (Brasileña
y Flexión)
Medida de velocidad de ondas elásticas
en laboratorio
Ensayo de compresión triaxial
Ensayo de corte directo
Ensayo de compresión uniaxial
Ensayo de velocidad sónica
PROPIEDADES DE LA MATRIZ ROCOSA Y MÉTODOS PARA SU DETERMINACIÓN
PROPIEDADES MECÁNICAS
2.2.1.- ENSAYES DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE Y TRIAXIAL.
CURVA ESFUERZO DEFORMACIÓN OBTENIDAS EN ENSAYES DE COMPRESIÓN SIMPLE
Preparado por:
I. 20
RESISTENCIA EN MPA
CONDICIÓN
DESCRIPCIÓN
5 a 20
Muy débil
20 a 40
Débil
40 a 80
Resistencia media
80 a 160
Resistencia alta
160 a 320
Resistencia muy alta
Sedimentarias alteradas y débilmente
compactadas
Sedimentarias y esquistos débilmente
cementados
Sedimentarias competentes; y rocas ígneas
cuarzosas de densidad un poco baja
Ígneas competentes, metamórficas y algunas
areniscas de grano fino
Cuarcitas y rocas ígneas densas de grano fino
CLASIFICACIÓN DE ROCAS DE ACUERDO CON SU RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
SIMPLE
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN TRIAXIAL.
FIGURA 2.9.- CORTE ESQUEMÁTICO DE UNA CÁMARA TRIAXIAL DISEÑADA PARA MEDIR
PRESIÓN DE PORO
Preparado por:
I. 21
FIGURA 2.10 CÍRCULOS DE MOHR Y ENVOLVENTES DE FALLA DE UNA PRUEBA DE
COMPRESIÓN TRIAXIAL
2.2.2.- ENSAYES DE RESISTENCIA A LA TENSIÓN.
2.2.2.1.- TENSIÓN AXIAL.
FIGURA 2.12.- DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS LONGITUDINALES EN LA PROBETA
Preparado por:
I. 22
2.2.3.- ENSAYES DE CORTE
FIGURA 2.15.- DISPOSITIVO PARA EL ENSAYE DE CORTE DIRECTO DE HOEK Y BROWN.
FIGURA 2.18 CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS c y  EN ENSAYE DE CORTE DIRECTO.
Preparado por:
I. 23
2.3.-PRUEBAS DE CAMPO
2.3.1.1.-PRUEBA DE PLACA
FIGURA 2.21.- PLACA FLEXIBLE
FIGURA 2.22.- PLACA RÍGIDA
Preparado por:
I. 24
2.3.2.-PRUEBAS PARA DETERMINAR LOS ESFUERZOS INTERNOS DE MACIZOS ROCOSOS
2.3.2.1.-ROSETA DE DEFORMACIONES
FIGURA 2.23.- ROSETA DE DEFORMACIONES
E
( 1 +  2 )
1 − 2
E
2 =
( 2 +  1 )
1 − 2
1 =
Donde E y  son el módulo de Young y la relación de Poisson de la roca, respectivamente,
determinados en pruebas de laboratorio
FIGURA 2.24.- CÍRCULO DE MOHR DE LAS DEFORMACIONES
Preparado por:
I. 25
2.3.2.2.- GATO PLANO
FIGURA 2.25.- PRUEBA DE GATO PLANO (Esfuerzos internos)
n = p
p=
cj − d
c
p A + p B + 2 pc
4
PA y PB representan las presiones necesarias para anular las deformaciones registradas entre los
puntos de referencia localizados a ambos lados de la ranura a 7.5 cm del eje de esta, y Pc la
correspondiente a los puntos de referencia a 25 cm.
Preparado por:
I. 26
2.3.3.-PRUEBA DE RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE (Corte Directo en Campo)
FIGURA 2.26 MONTAJE GENERAL PARA LA PRUEBA DE CORTE EN CAMPO
Preparado por:
I. 27
DISEÑO GEOTECNICO
Las discontinuidades representan la zona de menor resistencia al esfuerzo cortante en las masas
rocosas, por ello sus características físicas determinan en gran medida la estabilidad de la masa de
roca.
Los tipos de discontinuidades que hay en un macizo rocoso están frecuentemente asociados al
origen de la roca y a su historia de esfuerzos y deformación a la que estuvo sujeta en el pasado
geológico.
La estratificación está asociada a las rocas sedimentarias y es una de las discontinuidades más
importantes que existen, lo mismo que la foliación lo es para las rocas metamórficas como las
pizarras, filitas y los esquistos.
Las propiedades que se estudian en campo durante los levantamientos geotécnicos son:
Orientación
Continuidad
Rugosidad
Espaciamiento
Separación
Relleno y alteración
1.5 IMPORTANCIA Y CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS.
(Clasificación Geomecánica de macizos rocosos para fines de Ingeniería)
En el inciso 1.2 se trató la clasificación de los macizos rocosos con fines geotécnicos, cuya
finalidad es la obtención de parámetros geomecánicos para su empleo en el diseño y proyecto de
las obras de ingeniería. Los macizos rocosos, como medios discontinuos, presentan un
comportamiento geomecánico complejo que, de una forma simplificada, puede ser estudiado y
categorizado en función de su aptitud para distintas aplicaciones. Con este objetivo surgieron las
clasificaciones geomecánicas, que aportan, mediante la observación directa de las características
de los macizos rocosos y la realización de sencillos ensayos, índices de calidad relacionados con
los parámetros geomecánicos del macizo y sus características frente a los soportes de túneles y
taludes y la excavabilidad de las rocas, entre otros.
Las características de los macizos rocosos que se consideran en las distintas clasificaciones son
las siguientes:
-- Resistencia del material rocoso.
-- Índice RQD.
-- Espaciado de las discontinuidades.
-- Orientación de las discontinuidades.
-- Condiciones de las discontinuidades.
-- Estructura geológica y fallas.
-- Filtraciones y presencia de agua.
-- Estado tensional.
Las clasificaciones geomecánicas más utilizadas en la actualidad son la RMR de Bienawsky y la Q
de Barton. La primera se emplea tanto para la caracterización de los macizos rocosos y sus
propiedades como para su aplicación en túneles. La clasificación Q se emplea casi exclusivamente
para túneles. Otras clasificaciones también usadas y no menos importantes son la clasificación de
acuerdo al índice de calidad de roca RQD de Deere y la clasificación de Terzaghi. Tales
clasificaciones son explicadas a continuación.
Preparado por:
I. 28
1.5.1.- ÍNDICE DE CALIDAD DE LAS ROCAS RQD
En 1964 Deere propuso un índice cuantitativo de la calidad de la roca basado en la recuperación
de núcleos con perforación de diamante.:. Se llama el sistema Rock Quality Designation (RQD) -Índice de Calidad de Roca---; se ha usado en todas partes y se ha comprobado que es muy útil en
la clasificación del macizo rocoso para la selección del refuerzo para los túneles. El índice RQD
representa la relación entre la suma de las longitudes de los fragmentos de la muestra mayores de
10 cm y la longitud total del tramo recuperado:
RQD =
 − Longitud − de − fragmentos  10 − cm
Longitud − total
Para la estimación del RQD se consideran solo los fragmentos de la muestra fresca, excluyéndose
los que presentan un grado de alteración importante. La medida del RQD se debe realizar en cada
maniobra del sondeo o en cada cambio litológico, siendo recomendable que la longitud de
maniobra no exceda de 1.5 m. El diámetro mínimo de las muestras debe ser de 48 mm. En la tabla
1.10 se describe la calidad de la roca en función de este índice.
RQD (%)
< 10
25-50
50-75
75-90
90-100
Calidad
Muy mala
Mala
Media
Buena
Muy buena
Tabla 1.10
Merrit hizo un intento de llevar la aplicabilidad del RQD hasta donde pudiera servir para determinar
el tipo de ademe necesario en un túnel y su propósito se ilustra en la figura 1.29. Aunque estaba
convencido de que el RQD era importante para determinar los sistemas de soporte, él mismo
encontró una seria limitación a su propósito pues en su trabajo mencionó:
“El criterio de refuerzos del RQD tiene limitaciones en el caso de que haya fracturas con rellenos
delgados de arcilla o de material meteorizado. Este caso puede presentarse cerca de la superficie
donde la meteorización o las infiltraciones hayan producido arcilla, lo que reduce la resistencia a la
fricción a lo largo de los planos de fractura. Esto generará una roca inestable aun si las fisuras
están muy separadas una de otra y el valor del RQD es alto.
Aparte de esta limitación, el RQD no toma en cuenta otros factores como por ejemplo la orientación
de las juntas, lo que también tiene su importancia para el comportamiento de la roca alrededor de
una obra subterránea. En consecuencia, sin querer restar méritos al RQD como método rápido y
económico para dar indicios, también es cierto que no provee información adecuada sobre los
muchos fenómenos de comportamiento de la roca que se pueden presentar en una excavación.
Preparado por:
I. 29
FIGURA 1.29.- PROPUESTA DEL USO DEL RQD PARA ESCOGER EL SISTEMA DE SOPORTE DE ROCA.
1.5.2.-. MÉTODO DE BARTON (CLASIFICACIÓN Q)
Desarrollada por Barton, Lien y Lunde en 1974, a partir del estudio de un gran numero de túneles,
constituye un sistema de clasificación de macizos rocosos que permite estimar parámetros
geotécnicos del macizo y diseñar sostenimientos para túneles y cavernas subterráneas. El índice Q
está basado en una evaluación numérica de seis parámetros dados por la expresión:
Q=
RQD Jr Jw
 
Jn Ja SRF
donde:
RQD = Índice de calidad de roca
Jn = índice de fisuramiento que indica el grado de fracturación del macizo rocoso.
Jr = índice de rugosidad de las discontinuidades o juntas.
Ja = índice que indica la alteración de las discontinuidades.
Jw = coeficiente reductor por la presencia de agua.
SRF (stress reduction factor) = coeficiente que tiene en cuenta la influencia del estado de
esfuerzos del macizo rocoso.
Los tres factores de la expresión representan:
 RQD 

 : El tamaño de los bloques
 Jn 
 Jr 
  : La resistencia al corte entre los bloques
 Ja 
 Jw 

 : La influencia del estado tensional
 SRF 
Preparado por:
I. 30
En la tabla 1.11 se indican los criterios de valoración de estos parámetros. El índice Q obtenido a
partir de ellos varía entre 0,00 1 Y 1.000, con la siguiente clasificación del macizo rocoso:
entre
0.001 y 0.01:
0.01 y 0.1:
0.1 y 1:
1 y 4:
4 y 10:
10 y 40:
40 y 100:
100 y 400:
400 y 1,000:
roca excepcionalmente mala
roca extremadamente mala
roca muy mala
roca mala
roca media
roca buena
roca muy buena
roca extremadamente buena
roca excepcionalmente buena
TABLA 1.11.- VALORES DE LOS PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL ÍNDICE Q
1.- Calidad del testigo RQD
A
Muy mala
B
Mala
C
Media
D
Buena
E
Excelente
RQD (%)
0-25
25-50
50-75
75-90
90-100
Notas:
i) cuando se obtienen valores del RQD inferiores o iguales a 10, se toma un valor de 10
ii) Los intervalos de 5 unidades para el RQD, es decir, 100, 95, etc., tienen suficiente precisión
2.- Índice de fisuramiento
A
Roca masiva, sin fisuras o con fisuración escasa
B
Un sistema de fisuras
C
Un sistema y algunas fisuras aleatorias
D
Dos sistemas de fisuras
E
Dos sistemas y algunas fisuras aleatorias
F
Tres sistemas de fisuras
G
Tres sistemas y algunas fisuras aleatorias
H
Cuatro o mas sistemas, fisuras aleatorias, roca muy fracturada, en terrones, etc.
J
Roca triturada
Jn
0.5-1.0
2
3
4
6
9
12
15
20
Notas:
i) En intersecciones de túneles se usa la expresión (3 Jn)
ii) En portales de túneles se usa la expresión (2 Jn)
3.- Índice de Rugosidad de las discontinuidades
Jr
a) Contacto entre las dos caras de la discontinuidad
b) Contacto entre las dos caras de la discontinuidad ante un desplazamiento cortante inferior a 10 cm
A
B
C
Diaclasas discontinuas
Diaclasas onduladas, rugosas o irregulares
Diaclasas onduladas, lisas
4
3
2
Preparado por:
I. 31
D
E
F
G
Diaclasas onduladas, perfectamente lisas
Diaclasas planas, rugosas o irregulares
Diaclasas planas, lisas
Diaclasas planas, perfectamente lisas
1.5
1.5
1.0
0.5
Notas:
i) Las descripciones se refieren a caracterizaciones a pequeña escala y escala intermedia, por este orden.
c) No existe contacto entre las caras de la discontinuidad ante un desplazamiento cortante
H
J
Zona que contiene minerales arcillosos con un espesor suficiente para impedir el
contacto de las caras de la discontinuidad
Zona arenosa, de gravas o triturada con un espesor suficiente par impedir el
contacto entre las dos caras de la discontinuidad
1.0
1.0
Notas:
i) .Si el espaciado del principal sistema de discontinuidades es superior a 3 m, se debe aumentar Jr en una unidad
ii) en el caso de diaclasas planas perfectamente lisas que presenten lineaciones, y que dichas lineaciones estén orientadas
según la dirección de la mínima resistencia, se puede usar el valor Jr = 0.5
TABLA 1.11.-(Continuación) VALORES DE LOS PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL ÍNDICE Q
4.- Índice de Alteración de las discontinuidades
r
Ja
-25°-35°
25°-30°
0.75
1.0
2.0
20°-25°
3.0
8°-16°
4.0
a) Contacto entre los planos de la discontinuidad (sin minerales de relleno intermedio)
A
B
C
D
E
Discontinuidad cerrada, dura, sin reblandecimientos, impermeable, cuarzo
Planos de discontinuidad inalterados, superficies ligeramente manchadas
Planos de discontinuidades ligeramente alterados. Presentan minerales no
reblandecibles, partículas arenosas, roca desintegrada libre de arcillas, etc.
Recubrimientos de arcillas limosas o arenosas. Fracción pequeña de arcilla no
blanda.
Recubrimientos de arcillas blandas o de baja fricción, es decir, caolinita o mica.
También clorita, talco, yeso, grafito, etc., y pequeñas cantidades de arcillas
expansivas
b) Contacto entre los planos de la discontinuidad ante un desplazamiento cortante inferior a 10 cm (minerales de relleno en
pequeños espesores)
F
G
H
J
Partículas arenosas, roca desintegrada libre de arcilla, etc.
Fuertemente sobreconsolidados, con rellenos de minerales arcillosos no blandos
(continuos, pero con espesores inferiores a 5 mm)
Sobreconsolidación media a baja, con reblandecimiento. Rellenos de minerales
arcillosos (continuos, pero de espesores inferiores a 5 mm)
Rellenos de arcillas expansivas, es decir, montmorillonita (continuos, pero con
espesores inferiores a 5 mm). El valor de Ja depende del porcentaje de
partículas con tamaños similares a los de arcillas expansivas
25°-30°
16°-24°
4.0
6.0
12°-16°
8.0
6°-12°
8.0-12.0
c) No se produce contacto entre los planos de la discontinuidad ante un desplazamiento cortante (Rellenos de mineral de
gran espesor)
K
L
M
N
O
P
R
Zona o bandas de roca desintegrada o triturada y arcillas (ver G, H y J para la
descripción de las condiciones de arcilla)
6°-24°
6, 8 ó
8.0-12.0
Zona o bandas de arcillas limosas o arenosas, con pequeñas fracciones de
arcillas no reblandecibles
Zonas o bandas continuas de arcilla, de espesor grueso (ver G, H y J para la
descripción de las condiciones de arcilla)
--
5.0
6°-24°
10, 13
ó
13-20
Preparado por:
I. 32
Nota: Los valores expresados para los parámetros Jr y Ja se aplican a los sistemas de diaclasas o discontinuidades que
son menos favorables con relación a la estabilidad, tanto por la orientación de las mismas como por su resistencia al corte
(Esta resistencia puede evaluarse mediante la expresión: T   tg −1  Jr  )
 
n
 Ja 
Presión
de agua
(kg/cm2)
Jw
Excavaciones secas o pequeñas afluencias, inferiores a 5 l/min, de forma
< 1.0
localizada
Afluencia a presión media, con lavado ocasional de los rellenos de las 1.0-2.5
discontinuidades
Afluencia importante o presión alta en rocas competentes con discontinuidades 2.5-10.0
sin relleno
Afluencia importante o presión alta, produciéndose un lavado considerable de los 2.5-10.0
rellenos de las diaclasas
Afluencia excepcionalmente alta o presión elevada en el momento de realizar las > 10.0
voladuras, decreciendo con el tiempo
Afluencia excepcionalmente alta, o presión elevada de carácter persistente, sin
>10.0
disminución apreciable
1.0
5.- Factor de reducción por la presencia de agua
A
B
C
D
E
F
0.66
0.5
0.33
0.2-0.1
0.1-0.05
Notas:
i) Los valores de las clase C, D, E, y F, son meramente estimativos. Si se acometen medidas de drenaje, puede
incrementarse el valor Jw.
ii) No se han considerado los problemas especiales derivados de la formación de hielo.
TABLA 1.11.-(Continuación) VALORES DE LOS PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL ÍNDICE Q
6.- Condiciones de esfuerzo de la roca
SRF
a) Las zonas débiles intersectan a la excavación, pudiendo producirse desprendimientos de roca a medida que la
excavación del túnelo va avanzando.
A
B
C
D
E
F
G
Múltiples zonas débiles, conteniendo arcilla o roca desintegrada químicamente,
Roca de contorno muy suelta ( a cualquier profundidad)
Zonas débiles aisladas, conteniendo arcilla o roca desintegrada químicamente
(profundidad de la excavación < 50 m)
Zonas débiles aisladas, conteniendo arcilla o roca desintegrada químicamente
(profundidad de la excavación > 50 m)
Múltiples zonas de fracturas en roca competente (libre de arcillas), roca de
contorno suelta ( a cualquier profundidad)
Zonas de fractura aisladas en roca competente (libre de arcillas) (profundidad de
excavación < 50 m)
Zona de fracturas aisladas en roca competente (libre de arcillas) (profundidad de
la excavación > 50 m)
Terreno suelto, diaclasas abiertas, fuertemente fracturado, en terrones, etc, ( a
cualquier profundidad)
10
5
2.5
7.5
5.0
2.5
5.0
Notas:
i) Se reducen los valores expresados del SRF entre un 20-50% si las zonas de fracturas solo ejercen cierta influencia pero
no intersectan a la excavación.
b) Rocas competentes, problemas de esfuerzos en las rocas
H
J
K
L
M
N
Esfuerzos pequeños cerca de la superficie, diaclasas abiertas
Esfuerzos medios, condiciones de esfuerzo favorable
Esfuerzos elevados, estructura muy compacta . Normalmente
favorable para la estabilidad, puede ser desfavorable para la
estabilidad de los hastiales
Lajamiento moderado de la roca después de 1 hora en rocas masivas
Lajamiento y estallido de la roca después de algunos minutos en
rocas masivas
Estallidos violentos de la roca (deformación explosiva) y
deformaciones dinámicas inmediatas en rocas masivas
Preparado por:
I. 33
 c /1
 / c
> 200
200-10
< 0.01
0.01-0.3
0.3-0.4
2.5
1
0.5-2
5-3
3-2
0.5-0.65
0.65-1
5-50
50-200
<2
>1
200-400
SRF
10-5
Notas:
i) Si se comprueba la existencia de estados de esfuerzos fuertemente anisotrópicos: cuando 5 <  1/  3 < 10, se disminuye
el parámetro  c hasta 0.75  c ; si  1/  3 > 10, se tomará el valor de 0.5  c.  c Es la resistencia a la compresión simple,
 1 y  3 son los esfuerzos principales mayor y menor respectivamente y  es el esfuerzo tangencial máximo, estimado a
partir de la teoría de la elasticidad.
ii) En los casos en que la profundidad de la clave del túnel es menor que la anchura de la excavación, se sugiere aumentar
el valor del factor SRF entre 2.5 y 5 unidades (veáse clase H)
c) Rocas deformables: flujo plástico de roca incompetente sometida a altas presiones
litostáticas.
O
Presión de deformación baja
P
Presión de deformación alta
 / c
SRF
1-5
>5
5-10
10-20
Notas:
i) Los fenómenos de deformación o fluencia de rocas suelen ocurrir a profundidades H > 350 Q 1/3 . La resistencia a la
compresión del macizo rocoso puede estimarse mediante la expresión  7  Q 1/3 , donde  es la densidad de la roca en
g/cm3
d) Rocas expansivas: actividad expansiva química dependiendo de la presencia de agua
R
Presión de expansión baja
S
Presión de expansión alta
SRF
5-10
10-15
TIPO DE SOPORTE A PARTIR DEL ÍNDICE Q DE BARTON
Para la estimación de los soportes a partir del índice Q se definen los siguientes parámetros:
---Diámetro equivalente del túnel De:
De =
ancho,−diámetro,−ó − altura − (m)
ESR
donde ESR (excavation support ratio): Factor que depende del tipo de excavación, cuyos valores
se indican en la tabla 1.12
TIPO DE EXCAVACIÓN
A
B
C
D
E
Excavaciones mineras de carácter temporal, etc.
Excavaciones mineras permanentes, túneles de centrales hidroeléctricas (excluyendo
las galerías de alta presión), túneles piloto (exploración), galerías de avance en
grandes excavaciones, cámaras de compensación hidroeléctrica.
Cámaras de almacenamiento, plantas subterráneas para el tratamiento de aguas,
túneles carreteros y ferrocarriles pequeños, cámaras de alta presión, túneles
auxiliares.
Casas de máquinas, túneles carreteros y ferrocarrileros mayores, refugios de defensa
civil, portales y cruces de túnel.
Centrales nucleares subterráneas, estaciones de ferrocarril, instalaciones públicas y
deportivas, fábricas, túneles para tuberías principales de gas.
TABLA 1.12 VALORES DEL ÍNDICE ESR DE LA CLASIFICACIÓN Q
Preparado por:
I. 34
ESR
2-5
1.6-2.0
1.2-1.3
0.9-1.1
0.5-0.8
FIGURA 1.30 SOPORTES SEGÚN EL ÍNDICE Q (BARTON, 2000)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
Sin soporte
Anclaje puntual, sb
Anclaje sistemático, B
Anclaje sistemático con concreto lanzado, 40-100 mm, ( B+S )
Concreto lanzado con malla, 50-90 mm y anclaje { S (fr) + B }
Concreto lanzado con malla, 90-120 mm y anclaje, { S (fr) + B }
Concreto lanzado con malla, 120-150 mm y anclaje, { S (fr) + B }
Concreto lanzado con malla, > 150 mm con anclaje y marcos de acero reforzados con concreto lanzado, {
S (fr) + RRS + B }
Revestimiento de concreto, CCA.
El índice Q también permite calcular los siguientes parámetros:
---Máximo claro sin soporte (longitud de pase) = 2 ESR Q
0.4
--Carga de roca sobre clave (Pr):
Pr =
2 Jn
(Para macizos con menos de tres familias de discontinuidades)
3Jr 3 Q
Pr =
2
Jr 3 Q
(Para macizos con tres o mas familias de discontinuidades)
--Carga de roca en hastiales (Ph):
Para Q > 10
Ph = 5 Q
Preparado por:
I. 35
Para 0.1<Q<10
Ph = 2.5 Q
Para Q<0.1
Ph = Q
1.5.3.- MÉTODO DE BIENAWSKY (CLASIFICACIÓN RMR)
Desarrollada por Bieniawski en ,1973, con actualizaciones en 1979 y 1989, constituye un sistema
de clasificación de macizos rocosos que permite a su vez relacionar índices de calidad con
parámetros geotécnicos del macizo y de excavación y sostenimiento en túneles. Esta clasificación
tiene en cuenta los siguientes parámetros geomecánicos:
- Resistencia uniaxial de la matriz rocosa.
- Grado de fracturación en términos del RQD.
- Espaciado de las discontinuidades.
- Condiciones de las discontinuidades.
- Condiciones hidrogeológicas.
- Orientación de las discontinuidades con respecto a la excavación.
La incidencia de estos parámetros en el comportamiento geomecánico de un macizo se expresa
por medio del índice de calidad RMR, (rock mass rating), que varía de O a 100.
Para aplicar la clasificación RMR se divide el macizo rocoso en zonas o tramos que presenten
características geológicas más o menos uniformes de acuerdo con las observaciones hechas en
campo, en las que se lleva a cabo la toma de datos y medidas referentes a las propiedades y
características de la matriz rocosa y de las discontinuidades. Para calcular el índice RMR
correspondiente a cada una de las zonas se sigue el procedimiento señalado en la tabla 1.13.
Una vez obtenidas las puntuaciones que resultan de aplicar los cinco parámetros de clasificación,
se efectúa la corrección por orientación de discontinuidades y se obtiene un valor numérico con el
que se clasifica finalmente el macizo rocoso. Esta clasificación distingue cinco clases. cuyo
significado geotécnico se expresa en la tabla 1.14; a cada clase de macizo se le asigna una calidad
y unas características geotécnicas.
Así, un macizo rocoso clasificado como Muy Bueno (Clase 1), será un macizo rocoso duro, poco
fracturado, sin filtraciones importantes y poco meteorizado, presentando muy pocos problemas
frente a su estabilidad y resistencia. Se puede deducir que tendrá una capacidad portante alta,
permitirá la excavación de taludes con altas pendientes y no precisará medidas de estabilización y
refuerzo en túneles.
En la tabla 1.13 se incluyen también las características del macizo con respecto al tiempo de
mantenimiento y longitud de túnel sin entibar, así como la influencia de la orientación de las
discontinuidades con respecto al túnel.
Preparado por:
I. 36
TABLA 1.13.- CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENAWSKY (RMR, 1989)
Parámetros de clasificación
ENSAYO DE
RESISTENCIA
CARGA
1
DE LA
PUNTUAL
MATRIZ
ROCOSA
Compresión
(MPA)
simple
> 10
10-4
4-2
2-1
> 250
250-100
100-50
50-25
25-5
12
90-75
17
2-0.6 m
15
1-3 m
4
< 0.1 mm
5
7
75-50
13
0.6-0.2 m
10
3-10 m
2
0.1-1mm
3
4
50-25
6
0.2-0.06 m
8
10-20 m
1
1-5 mm
1
2
Puntuación
15
100-90
20
>2m
20
< 1.0 m
6
Nada
6
Rugosidad
Muy rugosa
Rugosa
Ligeramente
rugosa
Ondulada
Puntuación
2
RQD (%)
3
Separación entre diaclasas
Puntuación
Puntuación
Longitud discontinuidad
Puntuación
Estado de las discontinuidades
4
Abertura
<1
1
0
< 25
3
< 0.06 m
5
> 20 m
0
> 5 mm
0
Suave
6
5
3
1
0
Relleno
Ninguno
Relleno duro
< 5 mm
Relleno duro
> 5 mm
Relleno blando
< 5 mm
Relleno blando
> 5 mm
4
2
Puntuación
6
Alteración
Inalterada
Caudal por 10 m de
túnel
Relación:
Presión de agua/
Esfuerzo
Principal mayor
Estado general
5
5-1
Puntuación
Puntuación
Agua
freática
COMPRESIÓN
SIMPLE (MPA)
Puntuación
Ligeramente Moderadam
alterada
ente alterada
2
0
Muy alterada
Descompuesta
6
5
3
1
0
Nulo
< 10
litros/min
10-25
litros/min
25-125
litros/min
> 125
litros/min
0.0
0.0-0.1
0.1-0.2
0.2-0.5
> 0.5
Seco
Ligeramente
húmedo
Húmedo
Ligera presión
de agua
Agua fluyendo
15
10
7
4
0
Corrección por la orientación de las discontinuidades
DIRECCIÓN Y ECHADO
Puntuación
Túneles
Cimentaciones
Taludes
Muy favorables
Favorables
Medias
Desfavorables
Muy
desfavorables
0
0
0
-2
-2
-5
-5
-7
- 25
- 10
- 15
- 50
- 12
- 25
- 60
Clasificación
Clase
Calidad
Puntuación
I
Muy buena
100-81
II
Buena
80-61
III
Media
60-41
Preparado por:
I. 37
IV
Mala
40-21
V
Muy mala
< 20
TABLA 1.13.- CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE BIENAWSKY (RMR, 1989) (continuación)
Características geotécnicas
Clase
I
II
III
IV
V
Tiempo de
mantenimiento
y longitud
Cohesión
(kg/cm2)
Ängulo de
fricción
10 años con 15 m de
claro
6 meses con 8 m de
claro
1 semana con 5 m de
claro
10 horas con
2.5
m de claro
30 minutos
con
1 m de claro
> 4.0
3.0-4.0
2.0-3.0
1.0-2.0
< 1.0
> 45°
35°-45°
25°-35°
15°-25°
< 15°
Orientación de las discontinuidades en el túnel
Dirección perpendicular al eje del túnel
Excavación en el sentido
Excavación en contra del
el echado
echado
Echado
Echado
Echado
Echado
45°-90°
20°-45°
45°-90°
20°-45°
Muy
Favorable
Media
Desfavorable
favorable
Dirección paralela al eje del
túnel
Echado
45°-90°
Muy desfavorable
Echado
20°-45°
Media
Echado
0°-20°
en cualquier
dirección
Desfavorable
TABLA 1.14.- CALIDAD DE LOS MACIZOS ROCOSOS EN RELACIÓN AL ÍNDICE RMR
Clase
Calidad
I
II
III
IV
V
Muy Buena
Buena
Media
Mala
Muy mala
Valoración RMR Cohesión (kg/cm2) Ängulo de fricción
100-81
80-61
60-41
40-21
< 20
> 4.0
3.0-4.0
2.0-3.0
1.0-2.0
< 1.0
> 45°
35°-45°
25°-35°
15°-25°
< 15°
SELECCIÓN DEL TIPO SE SOPORTE A PARTIR DEL ÍNDICE RMR
La clasificación RMR de Bieniawski, indica explícitamente los tipos de soporte a emplear según se
muestra en la tabla 1.15. A partir de RMR puede estimarse la longitud de pase (longitud de avance
sin sostenimiento, Figura 1.31). Por ejemplo, para un RMR = 60 se obtiene una longitud de pase de
2 m para un tiempo de estabilidad sin soporte de 25 días.
La carga de roca o presión sobre el sostenimiento se puede estimar según la expresión:
P=
100 − RMR
B
100
donde  es el peso específico de la roca y B el ancho del túnel. Esta expresión empírica hay que
utilizarla con precaución pues puede dar resultados poco representativos.
Preparado por:
I. 38
TABLA 1.15 ELECCIÓN DEL TIPO DE SOPORTE A PARTIR DEL ÍNDICE RMR DE BIENAWSKY
Túneles de sección en herradura, máxima anchura 10 m, máxima tensión vertical 250 kg/cm 2
Sistemas de soporte para excavaciones por perforación y
Clase
Excavación
voladura
RMR
Anclas
Concreto lanzado
Marcos de acero
I
100-81
Sección completa
Avances de 3 m
Sección completa
Avances de 1-1.5 m
Innecesario, salvo algún anclaje
ocasional
Anclaje local en clave con
longitudes de 2-3 m y
separación de 2-2.5 m
eventualmente con malla
Avance y destroza
Avances de 1.5-3 m.
Completar soporte
a 20 m del frente
Avance y destroza
Avances de 1-1.5 m
Soporte inmediato del
frente
Completar soporte a
menos de 10 m
Del frente
Fases múltiples
Avances de 0.5-1 m
Anclar inmediatamente
el frente después de
cada avance
II
80-61
III
60-41
IV
40-21
V
20 o
menor
No requiere
No requiere
5 cm en clave para
impermeabilización
No requiere
Anclaje sistemático de 3-4 m
con separación de 1.5 a 2 m en
clave y hastiales.
Malla en clave
5 a 10 cm en clave
y 3 cm en hastiales
No requiere
Anclaje sistemático de 4-5 m
con separación de 1- 1.5 m en
clave y hastiales con malla
10 a 15 cm en clave y 10
cm en hastiales.
Aplicación según avanza
la excavación
Marcos ligeros
espaciados a 1.5 m
cuando se requieran
Anclaje sistemático de 5-6 m
con separación
de 1-1.5 m en clave y hastiales
con malla.
Anclaje en solera
15-20 cm en clave
15 cm en hastiales
y 5 cm en el frente.
Aplicación inmediata
después de cada
avance.
Marcos pesados
separados 0.75 m con
blindaje de chapas y
cerradas en solera
FIGURA 1.31.- LONGITUDES DE PASE Y TIEMPOS DE ESTABILIDAD SIN SOPORTE (BIENAWSKY, 1989)
Preparado por:
I. 39
1.5.4 MÉTODO DE TERZAGHI
En-1946, Terzaghi propuso un sistema sencillo de clasificación de roca para calcular las cargas
que deben soportar los marcos de acero en los túneles. Describió varios tipos de roca y con base
en su experiencia de los túneles ferrocarrileros con refuerzo de acero, en los Alpes, fijó escalas de
roca según las diferentes condiciones del terreno. Este artículo tan importante, en el cual Terzaghi
intentó cuantificar su experiencia de modo que pudiera servir a otros, ha tenido desde el día de su
publicación un uso extenso en la construcción de túneles en América del Norte.
En la introducción de la parte del artículo que trata de la estimación de las rocas cargadas,
Terzaghi hace hincapié sobre la importancia de la exploración geológica que deberá hacerse antes
de que se termine el diseño y sobre todo insiste en conseguir información sobre los defectos en la
formación de roca.
En su artículo procede con la definición de estos términos de tuneleo como sigue:
Roca inalterada no tiene fisuras ni ramaleos. Por lo tanto, cuando se rompe, lo hace a través de la
roca sana. Debido al daño que se hace a la roca con el uso de explosivos, pueden caer del techo
desgajes de roca varias horas o varios días después de la voladura. Esta condición se llama
desprendido. La roca dura, inalterada, también puede verse afectada por chasquidos, lo que
implica la separación espontánea y violenta de láminas de roca de las paredes o del techo.
Roca estratificada está constituida por capas unitarias con poca o ninguna resistencia a la
separación a lo largo del plano limítrofe entre estratos. La capa puede haberse debilitado o no
debido a fracturas transversales. Los desprendidos son comunes en este tipo de rocas.
Roca medianamente fisurada tiene fisuras y ramaleos pero los bloques entre las juntas están
soldados o tan íntimamente embonados que las paredes verticales no necesitan refuerzo. En rocas
de este tipo se puede encontrar a la vez el desprendido y el chasquido.
Roca agrietada en bloques es una roca químicamente inalterada o casi inalterada, cuyos
fragmentos se encuentran totalmente separados unos de otros y no embonan. Esta clase de roca
puede necesitar además laterales en las paredes.
Roca triturada pero químicamente sana tiene la apariencia de ser un producto de trituradora. Si
los fragmentos, en su mayoría o todos, son del tamaño de arena y no ha habido recementación, la
roca triturada que está abajo del nivel de las aguas freáticas tiene las propiedades de una arena
saturada.
Roca comprimida, avanza lentamente en el túnel sin aumento perceptible de volumen. Un
prerrequisito de compresión es un porcentaje elevado de partículas microscópicas o sub
microscópicas de micas o de minerales arcillosos de poca expansibilidad.
Roca expansiva avanza básicamente en el túnel debido a su propia expansión. La capacidad de
esponjamiento parece estar limitada a las rocas que contienen minerales arcillosos como la
montmorilonita, con una alta capacidad de expandirse.
La principal ventaja de las clasificaciones geomecánicas es que proporcionan una estimación
inicial de los parámetros mecánicos del macizo a bajo costo y de forma sencilla. No obstante, debe
considerarse la excesiva simplificación que suponen cuando se trabaja con macizos rocosos
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blandos, tectonizados y alterados, para los que, por lo general, sobrevaloran las propiedades
mecánicas y resistentes, sin tener en cuenta aspectos importantes como las deformabilidad de los
macizos. Estas limitaciones deben considerarse al aplicar las clasificaciones, debiendo interpretar
los resultados con criterio y siempre en base al conocimiento de las propiedades y del
comportamiento geomecánico de los diferentes tipos de macizos rocosos.
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