GRUPO N 51. DISCONTINUIDADES
1.1. INTRODUCCION
Los macizos rocosos en la naturaleza presentan comnmente un
elevado nmero de discontinuidades. Por ello si quiere conocer y
describir adecuadamente el comportamiento mecnico de los macizos
rocosos resulta necesario analizar previamente el comportamiento de
las discontinuidades naturales.
El aspecto principal que condiciona el comportamiento mecnico de
una discontinuidad natural, como por ejemplo la que se presenta en
la fig. 1 en un testigo de sondeo o las que se muestra en la fig. 2
en afloramiento natural, es su resistencia al corte, aunque tambin
los parmetros de deformacin, como rigidez cortante y la normal y la
dilatancia, puede marcar en parte su comportamiento.
La resistencia a traccin perpendicular a las paredes de una
discontinuidad se puede considerar nula. Los factores principales
que intervienen en la reaccin de una discontinuidad frente a un
esfuerzo cortante son:
a) Las tensiones normales al plano de corteb) La rugosidad de
las superficies de contacto c) El grado de alteracin y resistencia
de los labios de la discontinuidadd) El espesor y el tipo de
rellenoe) La circulacin de agua y grado de saturacin del rellenof)
La orientacin del desplazamiento de corteg) La velocidad del
movimiento cortanteh) La amplitud del desplazamiento de corte y la
existencia de desplazamiento cortantes previos.
1.2. TIPOS DE DISCONTINUIDADES
a. Todo tipo de juntasb. Planos estratificados (dbiles)c. Zonas
de contacto d. Fallas e. Diaclasasf. Etc.
1.3. CARACTERISTICAS DE LAS DICONTINUIDADES
a. Orientacin y numero de discontinuidadesb. Frecuencia o
espacio de las juntas (distancia entre dos discontinuidades)c.
Grado de apertura o separacin (abierto o cerrado)d. Extensin,
persistencia, continuidade. Rugosidad o textura superficial
(pulida, lisa o rugosa) y relleno (sin o con relleno, tipo de
relleno)
1.4. ORIENTACION DE DISCONTINUIDADES
Direccin y buzamiento
1.5. CLASIFICACION DE MACIZOS ROCOSOS POR EL NUMERO DE FAMILIAS
DE DISCONTUNUIDADES
a. Masivo, discontinuidades ocasionales (clase I)b. Una familia
de discontinuidades (clase II)c. Una familia de discontinuidades
mas otras ocasionales (clase III)d. Dos familias de
discontinuidades (clase IV)e. Dos familias de discontinuidades mas
otras ocasionales (clase V)f. Tres familias de discontinuidades
(clase VI)g. Tres familias de discontinuidades mas otras
ocasionales (clase VII)h. Cuatro o mas familias de discontinuidades
(clase VIII)i. Brechificado (clase IX)
1.6. FRECUENCIA O ESPACIADO
Clasificacin para el espaciado de juntas I.S.R.M (sociedad
internacional de mecnica de rocas).
DESCRIPCION ESPACIAMIENTOCONDICION DE MACIZO
Muy separadas>2 m Solido
Separadas0.6 2 mMasivo
Media separadas0.2 0.6 mCon bloques/estratos
Prximos0.06 0.2 mFracturado
Muy prximos>0.06 mMuy fracturado
1.7. GRADO DE APERTURA DE LAS DISCONTINUIDADES
a. Muy cerradas (d < 0.1 mm)b. Cerradas (0.1 < d < 0.25
mm)c. Parcialmente abiertas (0.25 < d < 0.5 mm)d. Abiertas
(0.5 < d < 2.5 mm)e. Moderadamente ancha (2.5 < d < 10
mm)f. Muy ancha (1 < d < 10 cm)g. Extremadamente ancha (10
< d < 100 cm)
2. EFECTO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS SOBRE LAS PROPIEDADES DE LOS
MACIZOS ROCOSOS
2.1. INTRODUCCION
El comportamiento mecnico de un macizo rocoso en el que se
realizan labores mineras se ve seriamente afectado por la presencia
de agua, pues disminuye la resistencia de las rocas a la rotura (la
roca es ms fcilmente deformable) y facilita el desplazamiento de
unos bloques con respecto a otros segn direcciones paralelas a los
planos de rotura, al actuar como lubricante.En los movimientos en
masa de cuerpos rocosos, la presencia de agua juega un papel
esencial y hace que se produzcan verdaderos colapsos cuasi sbitos
en el macizo rocoso, con desplazamientos horizontales y verticales
de gran envergadura, lo que afecta no solo a la poblacin, al medio
ambiente, a las infraestructuras, etc., sino tambin, y de manera
muy importante, a las labores mineras.
Generalmente el agua es omnipresente en un macizo rocoso, por lo
que para controlar su accin en las labores mineras hay que conocer
el origen (superficial, subterrneo, intersticial, capilar, etc.),
la interrelacin agua superficial agua subterrnea, la distribucin de
zonas de humedad en el macizo, el movimiento (flujo), la interaccin
con la roca (mecanismos de precipitacin, disolucin, etc.), el
volumen almacenado (para calcular y dimensionar obras de drenaje),
e incluso la composicin puesto que afecta a las infraestructuras
mineras (aguas cidas, por ejemplo, respecto a elementos metlicos de
contencin o de transporte en galeras).
Las propiedades geomecnicas del macizo rocoso son muy
importantes en la estabilidad de las labores a cielo abierto y
subterrneas. La presencia de agua en los huecos de la roca (poros
y/o fisuras) modifica el comportamiento geomecnico al alterar la
estabilidad y facilitar el movimiento de las masas rocosas; Papel
esencial juegan las discontinuidades estructurales (diaclasas,
fallas, esquistosidad, juntas, planos de estratificacin; Foto 1) al
ser planos de debilidad del macizo que facilitan el almacenamiento
y la circulacin del agua, que acta como lubricante facilitando y
acelerando el movimiento de bloques. Muy importante es la conexin
hidrulica entre el agua subterrnea y el agua superficial en la zona
de recarga, pues aumenta el flujo de agua capaz de provocar erosin
y disolucin de materiales.
2.2. EL AGUA EN EL MACIZO ROCOSO
La trama del macizo rocoso es el armazn o soporte del agua y
condiciona su comportamiento hidrulico, por lo que hay que
conocerla y conocer tambin las categoras de agua presentes, su
distribucin en diferentes zonas de humedad y las propiedades
hidrulicas del macizo.
La presencia y movimiento de agua en el suelo y subsuelo es slo
uno de los caminos por los que puede discurrir el agua dentro del
ciclo hidrolgico.
El agua penetra en el macizo rocoso por infiltracin de la
lluvia, o por el lecho de un ro o lago que se encuentre por encima
del nivel fretico. Son las zonas de recarga o niveles energticos ms
altos, para las aguas subterrneas. A partir de ah, el agua circula
en profundidad y por infiltracin eficaz recarga a los acuferos y
circula por ellos. Las aguas se desplazan por el acufero desde los
niveles energticos ms altos (recarga) a los puntos ms bajos
(descarga). Estas zonas de descarga pueden ser ros o lagos por
debajo del nivel fretico, manantiales, el mar, etc. La energa
necesaria para el movimiento del agua subterrnea procede
esencialmente de las diferencias de nivel topogrfico y de la presin
hidrulica.
La escorrenta superficial (en ros) y subterrnea (en acuferos)
est estrechamente unida, tal como se muestra en las diversas
situaciones ilustradas en la Figura 3. Por ejemplo un ro puede
actuar de zona de recarga en un tramo de su cauce y de descarga en
otro, pasando de ser un ro perdedor (ro influente) en el primer
caso a ser un ro ganador (ro efluente) en el segundo.
En cuanto a permeabilidad hay que decir que la mayora de los
macizos de rocas compactas (rocas duras) seran casi absolutamente
impermeables si no estuviesen fracturados, aunque la importancia
relativa de la permeabilidad por fisuras puede verse muy disminuida
en ocasiones si es que la roca fracturada posee al mismo tiempo una
permeabilidad primaria importante (caso, por ejemplo, de areniscas
porosas fisuradas); en este caso las fisuras actan de colectores no
slo del agua que contienen, sino de la que es cedida por las
paredes de las fisuras.
El movimiento del agua en los terrenos fracturados depende de
una serie de factores:
- Tipo de fracturas- Frecuencia de las fracturas- Anchura de las
fracturas- Orientacin en el espacio de los planos de fracturas
La permeabilidad del material acufero viene muy influida por
estos factores, y por la presencia o no de rellenos impermeables o
poco permeables (como se dijo anteriormente). Las fracturas son
superficies de rotura (que en numerosos clculos es posible asimilar
a planos) de paredes ms o menos rugosas y con una cierta anchura
media. Aunque no es raro encontrar fracturas de hasta 20 cm de
anchura (y a veces ms), lo normal es que no pasen de algunos cm
(2-5). Las ms frecuentes son las anchuras milimtricas, a las que se
les llama fisuras.A diferencia de lo que sucede en los terrenos
muelles, en los acuferos en rocas fracturadas existen superficies
piezomtricas virtuales debido a la interconexin de fracturas cada
una de las cuales posee un nivel piezomtrico propio (Figura 43).Al
igual que suceda en aquellos, se distinguen tambin una zona
saturada y una zona no saturada. El movimiento del agua es complejo
pero siempre es por la red de grietas interconectadas y a favor de
diferencias de carga hidrulica o presin piezomtrica.
El flujo en las fracturas estrechas suele ser laminar por lo que
es aplicable la ley de Darcy (Q= A.v.i). En estos casos, la
superficie piezomtrica es representativa de la energa potencial del
agua. En cambio, en las fracturas que poseen una anchura importante
el flujo es casi siempre turbulento pues al existir un desage
acusado la velocidad del flujo es elevada, superndose fcilmente el
valor de la velocidad crtica inferior. En estos casos no es
aplicable la ley de Darcy pues es preciso tener en cuenta la energa
cintica debida a la velocidad del agua.
En las fracturas de anchura muy pequea (algunas decenas de
micras o menos) el flujo del agua es muy difcil bajo gradientes
hidrulicos comunes. Autores como Davis (Davis y De Wiest, 1966)
indican que el movimiento existe tambin en estas condiciones y que
est inducido por efectos de la marea terrestre (ascenso y descenso
del terreno), lo cual crea un efecto de bombeo pulsatorio.
2.3. EFECTOS DEL AGUA SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL MACIZO ROCOSO
EN LABORES MINERAS
La diversidad de macizos rocosos en los que se desenvuelven las
labores mineras a cielo abierto y subterrneas, hace que se tengan
que resolver numerosas situaciones para resolver condiciones
geomecnicas que condicionan los proyectos mineros. Entre los
problemas principales a resolver (influencia de la litologa y
estructura geolgica, riesgos geolgicos, medioambiente, etc.) se
encuentran los relacionados con la presencia de agua, pues es uno
de los factores que ms incidencia tiene en el comportamiento
mecnico de los materiales.
El agua del macizo rocoso reduce su resistencia, genera
presiones intersticiales en su interior y altera sus propiedades
geomecnicas, dificultando las excavaciones superficiales y
subterrneas y poniendo en peligro la estabilidad del macizo. Por
ello, las propiedades del macizo rocoso deben evaluarse teniendo en
cuenta las condiciones del agua subterrnea (Figura 48), y para
evaluar su incidencia deben estudiarse esencialmente las
propiedades relacionadas con la permeabilidad y con el flujo.
En los que hay numerosas referencias a la hidrulica del macizo
rocoso y a su comportamiento frente a las labores mineras.Los temas
de inters se clasifican de la siguiente forma (por orden de
prioridad):
- El agua en el comportamiento de las excavaciones- Trabajos
subterrneos bajo el nivel piezomtrico- Drenaje y achique del agua-
Agresividad y ataque qumico del agua de mina- Reutilizacin del
agua- Trabajos especiales de impermeabilizacin- Aporte de aguas
superficiales- Irrupciones acuferas bruscas- Desage de minas
abandonadas- Eliminacin subterrnea de aguas residuales- Problemas
del agua en las explotaciones de sal- Explotacin por lixiviacinToda
esta problemtica deriva de:- dificultades para trabajar bajo el
nivel piezomtrico- comportamiento de las explotaciones como
"receptores y acumuladores" de agua- necesidad de eliminar pronto
las agua acumuladas en las explotaciones mineras
Por tanto, parece evidente la justificacin de realizar estudios
hidrogeolgicos desde el inicio de los trabajos de reconocimiento
minero. Estos estudios se apoyan en una serie de tcnicas:
a) Prospeccin geofsicab) Sondeos de investigacin, utilizables
para:
Reconocer la hidrologa y geometra del acufero Realizar ensayos
dimensionales para determinar la k Emplear trazadores para conocer
la direccin del aguac) Red de piezmetros para controlar la evolucin
de niveles durante y despus de la construccin del pozod) Sondeos de
captacin, utilizados primero para realizar ensayos de bombeo y
luego para drenaje.
3. CLASIFICACION DEL MACIZO ROCOSO
a. Dan idea preliminar de la calidad del macizo rocoso y su
variabilidad. b. Desarrollados para estimar soportes en tneles con
bases empricas.c. Uso para etapas tempranas del proyecto.d. Check
list de las variables involucradas en el problema.e. No remplazan
mtodos ms detallados y especficos de diseo.
3.1. DESCRIPCCION DEL MACIZO ROCOSO, CATEGORIAS
a. ROCA INTACTA: Sin diaclasas, rotura por roca intacta,
descascaramiento luego de las voladuras.
b. ESTRATIFICADA: Estrato con baja resistencia en los
lmites.
c. MODERADAMENTE FISURADA: Los bloques entra diaclasas
intertrabados. No requiere sostenimiento lateral.
d. FRAGMENTADA Y FISURADA: Bloques mal intertrabados.
Sosteniminento en paredes.
e. TRITURADA: Fragmentos pequeos, tamao de arena.
f. DESCOMPUESTA: Porcentaje alto de partculas arcillosas.
g. ROCA con HINCHAMIENTO: Minerales arcillosos (montmorillonita)
con capacidad de hinchamiento.
4. CONDICIONES GEOMECANICAS
4.1. INTRODUCCION
La roca se puede definir como agregados o conjunto de una o
varias sustancias minerales que forman macizos, que ocupan grandes
extensiones de la corteza terrestre o lo que es lo mismo, que son
principalmente elemento constructivo de la litosfera.
El ciclo geoqumico de las rocas, representado de forma
indicativa en la fig. parte de la formacin de la corteza rocosa;
los materiales fluidos procedentes de zonas profundas han seguido y
siguen actualmente su camino de ascenso a la superficie terrestre.
Estos materiales, que consisten en una masa rocosa fluida, en la
que pueden coexistir fases solidas, liquidas y gaseosas, se
denominan magmas.
5. CLASIFICACION GEOMECANICA DE LA MASA ROCOSA
5.1. INTRODUCCION
Desarrollado por Bieniawski, (1989) constituye un sistema de
clasificacin de macizos rocosos que permite a su vez relacionar
ndices de calidad con parmetros de diseo y de sostenimiento de
tneles.El parmetro que define la clasificacin es el denominado
ndice RMR ( ROCK MASS RATING ), que indica la calidad del macizo
rocoso en cada dominio estructural a partir de los siguientes
parmetros:
a. Resistencia a la compresin simple de la matriz rocosab.
R.Q.D. Grado de fracturacin del macizo rocosoc. Espaciado de las
discontinuidadesd. Condiciones de las discontinuidades, el cual
consiste en considerar los siguientes parmetros:
Abertura de las caras de la discontinuidad Continuidad o
persistencia de la discontinuidad Rugosidad Alteracin de la
discontinuidad Relleno de las discontinuidadese. Presencia del
Agua, en un macizo rocoso, el agua tiene gran influencia sobre su
comportamiento, la descripcin utilizada para este criterio son:
completamente seco, hmedo, agua a presin moderada y agua a presin
fuerte.f. Orientacin de las discontinuidadesPara obtener el ndice
RMR de Bieniawski se realiza lo siguiente:a. Se suma los 5
variables o parmetros calculados, eso da como resultado un valor
ndice (RMR bsico).b. El parmetro 6 que se refiere a la orientacin
de las discontinuidades respecto a la excavacin.El valor del RMR
vara entre 0 a 100.
5.2. CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI
5.2.1. 1MER PARAMETRO: RESISTENCIA DE LA ROCA SANA
Resistencia de algunas rocas sanas en (MPa)
Grfico para calcular el parmetro de Resistencia a la
CompresinSimple.
5.2.2. 2DO PARAMETRO: CALCULO DEL R.Q.D
La calidad de roca R.Q.D se puede determinar:
a. Trozos de rocas testigos mayores de 10cm recuperados en
sondeos.b. Nmero total de discontinuidades que interceptan una
unidad de volumen (1m3) del macizo rocoso, definido mediante el
parmetro Jv.c. Tericamente a partir de la densidad de las
discontinuidades o frecuencia de las discontinuidades ( ) por
Hudson, 1989.Para el primer caso se utiliza la primera formula:
Para el segundo caso se utiliza la siguiente formula:
Para el tercer caso se utiliza la siguiente formula:
El valor obtenido en las formulas A, B o C son comparados con la
siguiente tabla:
Asimismo, se puede buscar la valoracin para el RQD, a partir del
siguiente grafico:
5.2.3. 3CER PARAMETRO: SEPARACION DE LAS DISCONTINUIDADES
La separacin o el espaciamiento de las discontinuidades esta
clasificada segn la tabla que a continuacin se observa:
Para calcular el rango se utiliza el siguiente grafico:
5.2.4. 4TO PARAMETRO: CONDICIONES DE LAS DISCONTINUIDADES
Aberturas de las discontinuidades.
Continuidad o persistencia de las discontinuidades.
Rugosidad de las discontinuidades.
Relleno de las discontinuidades.
Alteracin de las discontinuidades.
5.2.5. 5TO PARAMETRO:LA PRESENCIA DEL AGUA
Para calcular la valoracin segn la presencia del agua se toma
como referencia la tabla que a continuacin se especifica.
5.2.6. 6TO PARAMETRO:ORIENTACION DE LAS DISCONTINUIDADES
Para la valoracin de este parmetro se debe clasificar la roca de
acuerdo al rumbo y buzamiento con respecto a la obra civil que se
va a ejecutar, esta clasificacin se especifica a continuacin:
Tabla de clasificacin para la determinacin de los buzamientos
con respecto al efecto relativo con relacin al eje de la obra.
Valoracin para Tneles y Minas.
Valoracin para Fundaciones.
Valoracin para Taludes.
Calidad del macizo rocoso con relacin al ndice RMR
Gua para la excavacin y soporte en tneles y obras de ingeniera
donde la condicin de la roca es: