5 Resistencia al corte de discontinuidades
PROPIEDADES MECANICAS DE LAS DISCONTINUIDADESInfluencia en el
comportamiento del macizo rocoso:Las superficies o planos de
discontinuidad de los macizos rocosos condicionan de una forma
definitiva sus propiedades Y comportamiento resistente, deformacin
al e hidrulico. Las discontinuidades imprimen un carcter
discontinuo Y anistropo a los macizos, hacindolos ms deformables Y
dbiles, lo que supone una gran dificultad para evaluar el
comportamiento mecnico de los mismos frente a las obras de
ingeniera. Las discontinuidades representan planos referentes de
alteracin, meteorizacin y fractura, Y permiten el flujo de agua .Su
re conocimiento, descripcin Y caracterizacin es fundamental para el
estudio del comportamiento mecnico e hidrogeolgico del macizo
rocoso. La estabilidad de las excavaciones y de las cimentaciones
en Toca, por ejemplo, depende de la orientacin y de la resistencia
de las discontinuidades. Las Figuras 3.3 y 3.68 presentan
diferentes ejemplos de la influencia de las discontinuidades en las
obras de ingeniera.
La orientacin:
Relativa de las discontinuidad es con respecto a una instalacin
u obra de ingeniera (excavacin, cimentacin, etc.) puede suponer que
el terreno sea o no estable, como se refleja en la Figura 3.68. En
el caso de excavaciones en superficie, para una misma configuracin
del macizo rocoso, la estabilidad del talud depende de su
orientacin con respecto a las discontinuidades; en una presa de
bveda, la presencia de discontinuidades paralelas a la direccin de
la resultante de las fuerzas que transmiten la presa y el agua
puede dar lugar a problemas de estabilidad; en el caso de un tnel,
las discontinuidades con direccin paralela a su eje y con
buzamientos elevados son igualmente desfavorables. La importancia
de la orientacin aumenta si se dan otras caractersticas, como un
nmero importante de juntas, espaciados peque- os, bajos ngulos de
rozamiento, etc.
La presencia de diversas familias de discontinuidad des con
diferente orientacin define el grado de fracturacin del macizo
rocoso, la forma y el tamao de los bloques de matriz rocosa.
La resistencia al corte:
De las discontinuidades es el aspecto ms importante en la
determinacin de la resistencia de los macizos rocosos duros
fracturados, y para su estimacin es necesario describir las
caractersticas fsicas y geomtricas de los planos, ya que no siempre
es posible determinarla adecuadamente en ensayos de laboratorio o
de campo.
Las discontinuidades se presentan agrupadas en familias .que se
caracterizan por sus valores medios representativos de orientacin y
caractersticas fsicas y resistentes. Las discontinuidades de una
misma familia son paralelas o subparalelas entre s (Figura 3.69).
En ocasiones, aparecen macro discontinuidades o discontinuidades
singulares que atraviesan todo el macizo, por encima de las
diferentes familias, cuyo estudio debe ser abordado de forma
individual. Tipos de discontinuidades:El trmino discontinuidad hace
referencia a cualquier plano de separacin en el macizo rocoso,
pudiendo tener origen sedimentario, como las superficies de
estratificacin o laminacin, diagentico o tectnico, como las
diaclasas o las fallas. En el Cuadro 3.17 se han agrupado los
diferentes tipos de discontinuidades en sistemticas, cuando
aparecen en familias, Y singulares, cuando aparece un nico plano
que atraviesa el macizo rocoso; estos ltimos suelen ser ms
continuos y persistentes que las discontinuidades sistemticas,
pudiendo llegar, en el caso de las fallas, a dimensiones de varios
kilmetros. Mientras que las familias quedan caracterizadas por la
orientacin estadstica referida a una, orientacin media y por sus
caractersticas generales, las discontinuidades singulares requieren
una descripcin Y un tratamiento individualizado. Pueden llegar a
controlar el comportamiento mecnico del macizo por encima de la
influencia de las discontinuidades sistemticas.
Las diaclasas o juntas; son los planos de discontinuidad ms
frecuentes en los macizos rocosos, Y corresponden a superficies de
fracturacin o rotura de la roca a favor de las cuales no ha habido
desplazamiento o ha sido muy pequeo. Afectan a cualquier tipo de
roca. Atendiendo a su origen se distinguen varios tipos:
_Diaclasas de origen tectnico; asociadas a plegamientos Y a
fallas. En el primer caso presen~ tan una disposicin caracterstica.
Las diac1asas asociadas a fallas se disponen paralelamente a la
superficie de falla y con una frecuencia que disminuye al aumentar
la distancia a la misma.
_Diaclasas en rocas gneas; formadas por contraccin durante o
despus del emplazamiento del cuerpo gneo. Presentan una disposicin
caracterstica en tres familias ortogonales entre s.
Un ejemplo de juntas de contraccin por enfra miento corresponde
a las que se forman en las lavas baslticas, dando lugar a la
disyuncin columnar
_ Diaclasas de relajacin; debidas a una reduccin de la carga
litosttica. Se disponen subparalelamente a la superficie topogrfica
Y su frecuencia disminuye en profundidad
.Los planos de estratificacin: son las superficies que limitan
los estratos en las rocas sedimentarias, Se trata de
discontinuidades sistemticas con una continuidad elevada, Y cuyo
espaciado oscila generalmente entre unos pocos centmetros Y varios
metros.
.Las superficies de laminacin: son discontinuidades sistemticas
que aparecen en las rocas sedimentarias. Correspondiendo a los
planos que limitan las lminas o los niveles megascpicos ms pequeos
de una secuencia sedimentaria. Estas superficies adquieren mayor
importancia en las rocas de grano fino, y se caracterizan por un
espaciado muy reducido, de orden milimtrico o centimtrico.
Los planos de esquistosidad; de origen tectnico, aparecen en
rocas que han sufrido una deformacin importante, disponindose
perpendicularmente a la direccin compresiva del mximo acortamiento.
Estas discontinuidades sistemticas se desarrollan mejor cuanto ms
pequeo es el grano de la roca, presentan una frecuencia alta y
espaciados de orden milimtrico
Las superficies de contacto litolgico son planos singulares de
separacin entre diferentes litologas de un macizo rocoso. En el
caso de las rocas sedimentarias tienen menor significacin con
respecto al comportamiento del macizo en su conjunto, incluyndose
en las superficies de estratificacin. Sin embargo en las rocas
gneas tienen gran importancia., sobre todo en el caso de los diques
y de las rocas filomanas.
Las fallas son discontinuidades singulares que corresponden a
planos de rotura o fracturacin con desplazamiento relativo entre
los bloques (Figura 3.76). La extensin de las fallas puede variar
entre algunos metros y centenares de kilmetros. pueden llevar
asociadas zonas de debilidad denominadas zonas de fallas o brechas
,en la que en ocasiones no se puede distinguir un plano neto de
rotura.
t = juntas de tensin en la charnela del pliegue
s = juntas en direccin
d = juntas en buzarniento
o = juntas oblicuas
_ Familias de diaclasas asociadas a pliegues (Blyth y de
Freitas. 1984).
Caractersticas de las discontinuidades
En la descripcin de las diferentes familias de discontinuidades
en un macizo rocoso se incluyen las siguientes caractersticas y
parmetros geomtricos: orientacin, espaciado, continuidad o
persistencia, rugosidad, abertura, relleno, filtraciones Y
resistencia de las paredes, Algunos de ellos, como la rugosidad,
abertura, relleno Y resistencia de las paredes, determinan el
comportamiento mecnico Y la resistencia de los planos de
discontinuidad,
La descripcin y medida de estos parmetros se realiza en campo,
para la valoracin de los diferentes factores, completando 10 que se
describe a continuacin:
La orientacin; de una discontinuidad en el espacio queda
definida por su buzamiento Y por su direccin de buzamiento. La
determinacin de la orientacin media de cada familia se establece a
partir de valores estadsticos representativos. La representacin
grfica de las discontinuidades o de su orientacin permite una visin
general de la geometra de los conjuntos rocosos. Los bloques
diagrama representan tridimensionalmente la distribucin de los
planos, Y se puede visualizar de una forma sencilla la orientacin
de la fracturacin con respecto a una obra o estructura (Fi gura
3.77).
Representacin de las familias de discontinuidades mediante un
bloque diagrama(ISMR,1981)
La orientacin generalmente no puede determinarse en sondeos,
siendo necesarias tcnicas especiales, utilizadas de forma muy
ocasional.
.El espaciado; es la distancia media perpendicular entre los
planos de discontinuidad de una misma familia. Influye en el
comportamiento global de macizo rocoso y define el tamao de los
bloques de matriz ro~ cosa que forman las diferentes familias. Si
los espacia~ dos son pequeos, la resistencia del macizo rocoso
disminuye de forma considerable, pudiendo en casos extremos
presentar un comportamiento asimilable al de materiales granulares
sin cohesin.
El espaciado entre discontinuidades juega un papel muy
importante en la permeabilidad del macizo rocoso. En general, la
conductividad hidrulica referida a una determinada familia es
inversamente proporcional a su espaciado, siempre que la abertura
de las discontinuidades individuales sea comparable.
.La continuidad; es la extensin del plano de discontinuidad.
Define en gran parte si la matriz rocosa va a estar involucrada o
no en los procesos de rotura del macizo rocoso, y en qu grado
condiciona los parmetros resistentes globales del mismo.
.La rugosidad; de un plano de discontinuidad determina su
resistencia al corte A mayor rugosidad mayor es la resistencia. La
presencia de irregularidades dificulta el movimiento durante los
procesos de desplazamiento tangencial por corte a favor de las
discontinuidades.
La ondulacin y las rugosidades en los planos pueden controlar
las posibles direcciones de desplazamiento, y definen la
resistencia al corte para las distintas direcciones: la resistencia
puede ser muy variable segn la direccin de movimiento coincida con
la de la rugosidad o sea transversal a ella.
.La abertura; es la distancia perpendicular que separa las
paredes de la discontinuidad cuando no existe rel1eno. Este
parmetro puede sufrir gran variacin en diferentes zonas del macizo
rocoso: mientras que en superficie la abertura puede ser elevada,
al aumentar la profundidad sta se reduce, pudiendo llegar a
cerrarse. La influencia de la abertura en la resistencia al corte
es importante incluso en discontinuidades muy cerradas, al
modificar las tensiones efectivas que actan sobre las paredes.
En ocasiones las discontinuidades aparecen con relleno de
materiales blandos arcillosos o con material rocoso de naturaleza
distinta a la de las paredes. Las propiedades fsicas y mecnicas del
relleno, como la resistencia al corte, deformabilidad y
permeabilidad, pueden ser muy variables, y controlan el comporta~
miento de la discontinuidad: en el caso de materiales blandos o
alterados, la resistencia puede sufrir variaciones importantes a
corto plazo si vara el contenido en humedad del relleno o si tiene
lugar desplazamiento a lo largo de las juntas.
Las caractersticas principales del relleno son su naturaleza,
espesor, resistencia al corte y permeabilidad.
Tanto si existe relleno corno si no, las discontinuidades son el
camino preferente para las filtraciones del agua en el macizo
rocoso (permeabilidad secundaria). El agua rebaja la resistencia al
corte al disminuir las tensiones efectivas actuantes sobre los
planos de discontinuidad.
Por ltimo, la resistencia a compresin simple de la pared de una
discontinuidad, que depende del tipo de matriz rocosa, de la
existencia o no de rel1eno y del grado de alteracin de las paredes,
influye en la resistencia al corte y en la deformabilidad del plano
de discontinuidad, sobre todo si no presentan relleno.
Esta resistencia suele ser menor que la de la roca intacta por
la alteracin superficial.
Resistencia al corte de discontinuidadesUn macizo rocoso duro
situado a poca profundidad est generalmente dividido en bloques
discretos separados por discontinuidades que los cruzan como planos
de estratificacin, juntas, zonas de cizalla y fallas. Puesto que
las tensiones de campo son bajas a profundidades someras, las
roturas en roca intacta originadas por las tensiones son
normalmente mnimas y este mecanismo juega un papel insignificante
en el comportamiento del macizo rocoso, que sin embargo est
controlado por deslizamientos de origen gravitatorio a travs de las
discontinuidades y rotaciones de bloques de roca individuales.
Al objeto de analizar la estabilidad de este sistema de bloques
individuales es necesario comprender los factores que controlan la
resistencia al corte de las discontinuidades que separan estos
bloques. Estas cuestiones se tratan en la discusin que sigue.
Resistencia al corte de discontinuidades planas
Supongamos que se toman una serie de muestras de una roca, por
ejemplo pizarra, para realizar ensayos de corte. Cada probeta
contiene un plano de debilidad que la atraviesa y que est
cementado, de forma que para separar las dos partes de la muestra
es necesario aplicar una traccin. El plano de debilidad es
absolutamente plano y no presenta ninguna irregularidad superficial
ni ondulacin. Como se observa en la figura del margen, en un ensayo
de corte cada muestra es sometida a una tensin normal n al plano de
debilidad, y se mide la tensin cortante requerida para producir un
desplazamiento .
La tensin cortante crecer de forma muy fuerte hasta alcanzar la
resistencia de pico. Esto se corresponde con la rotura del material
de cementacin que una las dos partes de la muestra. A medida que
contina el desplazamiento, la tensin cortante ir disminuyendo hasta
alcanzar un valor residual que permanecer constante a partir de ese
momento, incluso para grandes desplazamientos.
Si se representan las resistencias de pico y residual para
diferentes valores de la tensin normal aplicada, obtendremos las
envolventes que se muestran en el grfico inferior del margen. As,
para superficies discontinuidad plana, como las consideradas en
este ejemplo, los puntos experimentales se encontraran en general
formando lneas rectas. La relacin entre la resistencia al corte de
pico p y la tensin normal n se puede representar por una expresin
de tipo Mohr-Coulmb:
p = c + n tan
(5.1)
Donde
c es la resistencia cohesiva de la superficie cementada
es el ngulo de friccin.
Para el caso de la resistencia residual, la cohesin c habr
bajado a cero y la relacin entre r y n quedar:
r = n tan r
(5.2)
Donde
r es el ngulo de friccin residual.
Se ha presentado este ejemplo al objeto de ilustrar el
significado fsico del trmino cohesin, un trmino nacido en el mbito
de la mecnica de suelos, que ha sido adoptado por la comunidad de
mecnica de rocas. En los ensayos de resistencia al corte en suelos,
los niveles de tensiones son en general un orden de magnitud
inferior que los que tiene lugar en los ensayos sobre rocas y la
resistencia cohesiva de un suelo es un resultado de la adhesin de
sus partculas. En mecnica de rocas, slo aparece verdadera cohesin
en los ensayos de corte sobre discontinuidades cementadas. Sin
embargo, en muchas aplicaciones prcticas, se suele utilizar el
trmino cohesin por conveniencia, refirindose a un valor matemtico
relativo a la rugosidad de la superficie, tal y como se comentar ms
adelante. La cohesin ser en estos casos simplemente la interseccin
del criterio de resistencia al corte con el eje , esto es, para una
tensin normal nula.
Un parmetro fundamental para comprender la resistencia al corte
de superficies de discontinuidad es el ngulo de friccin bsico b. Es
aproximadamente igual al ngulo de friccin residual r pero se suele
medir a partir de ensayos sobre superficies de roca serradas o
pulidas. Estos ensayos, que se pueden realizar sobre superficies
tan pequeas como 50 mm x 50 mm, darn lugar a un diagrama formado
por una recta que vendr definida por la expresin:
= n tan b
Resistencia al corte de discontinuidades rugosas sin rellenoUna
superficie de discontinuidad en una roca dura nunca es tan lisa
como una superficie serrada o pulida, como las usadas para
determinar el ngulo de friccin bsico. Las ondulaciones y asperezas
de la superficie natural de una junta tienen una gran influencia en
su comportamiento resistente. Generalmente, esta rugosidad de la
superficie incrementa la resistencia al corte de la misma, y este
incremento de la resistencia es muy importante para la estabilidad
de excavaciones subterrneas.
Patton (1966) demostr esta influencia mediante un sencillo
experimento. Realiz ensayos de corte en muestras cortadas con
perfiles de dientes de sierra regulares, como la que se muestra en
la figura del margen. El desplazamiento cortante ocurre como
resultado del movimiento ascendente a travs de las caras inclinadas
de la junta, causando la dilatacin (incremento de volumen) de la
muestra.
La resistencia al corte de estas muestras con perfiles de
dientes de sierra regulares de Patton se puede representar por la
expresin:
= n tan (b+ i )
(5.4)
Donde
b es el ngulo de friccin bsico de la superficie y
i es el ngulo regular de los dientes de sierra.
Esta ecuacin es vlida para tensiones normales bajas, para las
que el desplazamiento cortante se debe exclusivamente al
deslizamiento a travs de superficies inclinadas. Para tensiones
normales ms altas, la resistencia del material intacto ser
alcanzada y los dientes de sierra tendern a romperse, dando lugar a
un comportamiento resistente ms relacionado con la resistencia del
material intacto que con las caractersticas friccionales de las
superficies.
Barton y sus colaboradores (1973, 1976, 1977, 1990) estudiaron
detalladamente el comportamiento de juntas naturales en roca y
propusieron que la ecuacin 5.4 se poda reescribir como:
= n tan [b + JRC log10 (JCS/n)]
Donde JRC es el coeficiente de rugosidad de la junta y
JCS la resistencia a compresin de los labios de junta.
..Estimacin de campo de JRCEl coeficiente de rugosidad de una
junta JRC es una cifra que se determina comparando el aspecto de la
superficie de discontinuidad con una serie de perfiles estndar
publicados por Barton y otros. Uno de los conjuntos de estos
perfiles ms tiles fue publicado por Barton y Choubey (1977) y se
reproduce en la figura 5.1. Conviene recordar que estos perfiles
han sido reproducidos a escala real al objeto de facilitar la
comparacin directa con perfiles de rugosidad medidos, si es que se
dispone de ellos.
Barton (1987) public una tabla que relaciona el Jr del ndice de
calidad del macizo Q y el JRC y que se reproduce en la figura
Barton y Bandis (1990) sugieren que el JRC tambin se puede
estimar a partir sencillos ensayos de inclinacin o tilt tests en
los que dos bloques de roca asociados los dos labios de una
discontinuidad se van inclinando lentamente hasta que el elemento
superior desliza sobre el inferior, para un ngulo . El valor del
JRC se estimar a partir de este ngulo de inclinacin , a partir de
la siguiente expresin.
JRC = (- b) / log10 (JCS/n)
En el caso de muestras pequeas, la tensin normal n puede llegar
a ser tan baja como 0.001 MPa. Partiendo de este valor en un caso
tpico en el que el ngulo de inclinacin para el deslizamiento sea =
65, el ngulo de friccin bsico sea b = 30 y el JCS = 100 MPa, la
ecuacin 5.6 dar un resultado de JRC = 7.
Estimacin de campo de JCS
Los mtodos propuestos para la estimacin de la resistencia a
compresin simple de los labios de una junta fueron publicados por
la ISRM (1978). El uso del esclermetro o Martillo de Schmidt para
estimar este valor fue sugerido por Deere y Miller (1966).
..Estimacin de campo de JCS
Los mtodos propuestos para la estimacin de la resistencia a
compresin simple de los labios de una junta fueron publicados por
la ISRM (1978). El uso del esclermetro o Martillo de Schmidt para
estimar este valor fue sugerido por Deere y Miller (1966).
3.2.1Criterio de rotura al corte de Barton
Parmetros de entrada:
ngulo de friccin bsico (AFB)- grados29
Coeficiente de rugosidad de la junta (JRC)16,9
Resistencia a compresin de los labios de la junta (JCS)96
Tensin normal mnima (SIGNMIN)0,360
TensinTensintaungulo deCohesin
normalcortantedSIGNFriccin
(SIGN)(TAU)(DTDS)(PHI)(COH)
MPaMPagradosMPa
0,3600,9891,65258,820,394
0,7201,5381,42354,910,513
1,4402,4761,21350,490,730
2,8804,0731,03045,851,107
5,7596,7790,87241,071,760
11,51811,3440,73336,222,907
23,03618,9730,60931,334,953
46,07331,5330,49626,408,666
Frmulas :
SIGNMIN=10^(LOG(JCS)-(70-AFB)/JRC)
TAU=SIGN*TAN((AFB+JRC*LOG(JCS/SIGN))*PI()/180)
DTDS=TAN((JRC*LOG(JCS/SIGN)+AFB)*PI()/180)-(JRC/LN(10))*
(TAN((JRC*LOG(JCS/SIGN)+AFB)*PI()/180)^2+1)*PI()/180
PHI=ATAN(DTDS)*180/pi()
COH=TAU-SIGN*DTDS
Figura 5.5: Esquema de la hoja de clculo con sus celdas y
frmulas realizada para calcular la resistencia al corte, el ngulo
de friccin instantneo y la cohesin instantnea de una junta para una
determinada gama de tensiones normales.
Sin embargo, debido a que dicha relacin (p.ej. Ecuacin 5.5.) no
se expresa en trminos de c y , es necesario estimar de la mejor
manera posible la cohesin y ngulo de friccin equivalentes a partir
de expresiones como la que propuso Barton.
La figura 5.4. Presenta las definiciones de cohesin instantnea
ci y ngulo de friccin instantneo i para una tensin normal n. Estas
cantidades vienen dadas respectivamente por la ordenada en el
origen y la pendiente de la recta tangente a la curva no- lineal
que relaciona la resistencia al corte con la tensin normal. Se
pueden utilizar estos valores en anlisis de estabilidad en los que
se utilice el criterio de deslizamiento de Mohr-Coulomb (Ecuacin
5.1), siempre que la tensin normal n este razonablemente prxima al
valor utilizado para definir el punto tangente.
En una aplicacin prctica tpica, se puede utilizar un programa en
forma de hoja de clculo sencillo para resolver la ecuacin 5.5. y
calcular los valores de la cohesin y friccin instantneas para una
gama de valores de la tensin normal. Una parte de una hoja de
clculo de este tipo se muestra en la Figura 5.5. Se puede comprobar
como la ecuacin 5.5. deja de tener validez para n = 0 y pierde todo
sentido prctico para b + JRC log10(JCS /n)> 70. Se puede
utilizar este lmite para determinar un valor mnimo de n. Se puede
considerar un lmite superior de n adecuado n= JCS.
En la hoja de clculo de la figura 5.5, el ngulo de friccin
instantnea i, para la tensin normal n, se ha calculado mediante la
relacin:
i = arctan (((/(n)
(5.9)
Donde((/(n = tan [JRC log10 (JCS /n) + b] -
(( JRC / LN 10){tan2 [JRC log10 (JCS /n ) + b]+1}(5.10)
La cohesin instantnea ci se calcula como:
ci = ( - n tan i
(5.11)
Para seleccionar adecuadamente los valores ci y i para su uso en
un estudio especfico, la tensin normal media n que acta sobre la
discontinuidad debe ser estimada y posteriormente utilizada para
determinar el valor apropiado sobre la correspondiente columna en
la hoja de clculo presentada. En muchos casos prcticos, un valor
nico de n ser suficiente pero, cuando se consideren problemas de
estabilidad crtica, la seleccin de la tensin normal se debe repetir
para cada superficie de discontinuidad observada.
Efectos de escala sobre JRC y JCS
La ecuacin 5.5 indica que existen tres factores que controlan la
resistencia al corte de las discontinuidades naturales: el ngulo de
friccin bsico b, una componente geomtrica JRC, y una componente de
rotura de las asperezas controlada por la relacin (JCS/n). La
figura 5.3, adaptada de la figura original publicada por Bandis
(1980), muestra que, a medida que aumenta la escala, la rugosidad
efectiva de la superficie (JRC) decrece. Y por tanto la resistencia
al corte de la discontinuidad tambin disminuye. Tambin y debido al
aumento de posibilidades de encontrar zonas de debilidad en un
discontinuidad mayor, la resistencia a compresin simple promedio de
una junta (JCS) decrece con el aumento de la escala.
A partir de un programa de laboratorio extensivo sobre juntas,
rplicas de juntas y una revisin bibliogrfica exhaustiva, Barton y
Bandis (1982) propusieron las correcciones de escala para JRC y JCS
que se presentan en las ecuaciones 5.7 y 5.8.
JRCn = JRC0 [L n/ L0] -0.02JRCo
(5.7)
JCSn = JCS0 [L n/ L0] -0.03JRCo
(5.8)
Donde JRC0, JCS0, y L0 (longitud) se refieren a muestras a
escala de laboratorio de 100 mm y JRCn, JCSn, y Ln se refieren a
tamaos de bloques naturales in-situ.
La cantidad JCS0, resistencia a compresin de los labios de una
junta preparada para laboratorio de 100 mm, tiene un valor mximo
igual a la resistencia a compresin simple del material rocoso
intacto. Se observar este valor mximo en el caso de que la junta
presente superficies de discontinuidad fresca, no meteorizada e
inalterada. La resistencia se ir reduciendo a medida que lo haga el
nivel de meteorizacin o alteracin de las superficies de
discontinuidad y tambin por el tamao de la discontinuidad, tal y
como sugiere la Ecuacin 5.8. Cohesin y friccin instantneasDebido al
desarrollo histrico de la disciplina de la mecnica de rocas, muchos
de los anlisis, realizados para calcular el coeficiente de
seguridad frente al deslizamiento, se expresaban en trminos de la
cohesin y la friccin de Mohr-Coulomb, definidas en la Ecuacin 5.1.
Desde 1970 se ha reconocido que la relacin entre la resistencia al
corte y la tensin normal se puede representar de manera ms exacta
mediante una relacin no lineal como la propuesta por Barton
(1973).
Igua 5.4: Definicin de la cohesin instantnea ci y el ngulo de
friccin instantneo i, pra un criterio de rotura no lineal.
Fiabilidad del modelo de Barton y otros mtodos
El mtodo de estimacin de la resistencia al corte de Barton
presentado es con diferencia el ms comnmente utilizado en la
prctica, debido a la simplicidad de su uso y por que en general no
ha dado lugar a demasiados problemas.
No obstante Rasouli y Harrison (2001) analizaron la fiabilidad
del mtodo, Con especial atencin a la estimacin del JRC, realizando
estimaciones de parmetros y comparndolas con resultados de ensayos.
Concluyeron que la aplicacin de este mtodo basada en los perfiles
de rugosidad de la figura 3.7. no resul-, ,; demasiado fiable,
Evidentemente los mtodos de estimacin de la rugosidad como el de
Barton sor inexactos: ya que entre otras Cosas son Incapaces de
tener en cuenta la anisotropa.fenomeno que ocasionalmente es muy
marcado en las juntas, sin embargo, su utilizacin es muy comn por
q"" '" primer lugar, y tal como han constatado diversos autores,
resulta ms bien conservador; y adems, retomando la cita que inicia
este capitulo, de nada vale un mtodo matemtico muy sol;s:ic2CC si
se es inca~ paz de estimar de manera razonable y a coste apropiado,
valores adecuados para dicho modelo
Kulatilake (1995) basndose en estudios detallados de laboratorio
sobre un elevado numero de discontinuidades naturales propusieron
un nuevo criterio de rotura de discontinuidades que pretenda
superar algunos de los defectos del mtodo de Barton, como el hecho
de no contemplar la anisotropa.
Donde a parte de los parmetros ya definidos por Barton, aparece
el SRP, que sera un parmetro estacionario de rugosidad e I que sera
un parmetro no estacionario dependiente de la rugosidad. Ambos se
pueden definir mediante el uso de tcnicas de geometra fractal y se
determinan a partir de la medida de los perfiles de rugosidad de la
junta en diferentes direcciones y a su vez dependeran de la escala
Finalmente los parmetros a, c y d seran experimentales y se
obtendran realizando varios ensayos de corte sobre las junta y
estimndolos con regresiones por mnimos cuadrados. Mediante esta
tcnica, que necesita recuperar la superficie completa de cada
discontinuidad con tcnicas lser y realizar mltiples ensayos con
replicas de discontinuidades naturales, realizaron predicciones muy
exactas.
Fardin'et al. (2001) Y otros autores investigan mtodos anlogos,
sin embargo, para poder obtener parmetros realistas de este tipo de
expresiones complejas resulta necesario utilizar tcnicas de
muestreo y ensayos de laboratorio inabordables en la prctica comn
de las empresas de ingeniera. Por todo ello, el mtodo do de Barton,
que es inexacto pero conservador, se sigue utilizando en un elevado
porcentaje de estudios y proyectos y parece que esta tendencia
continuar en el futuro.
En este sentido Hudson y Harrison (1997) indican que es posible
que se produzcan avances en la caracterizacin geomtrica y geotcnica
de juntas como resultado de las investigaciones que se estn
llevando a cabo: pero que estos avances slo sern extensiones de las
tcnicas convencionales aqu presentadas, de forma que se ir llegando
a formulaciones muy complicadas y de dudosa aplicacin prctica
Resistencia al corte de discontinuidades con rellenoEn los
apartados anteriores se ha analizado la resistencia al corte de
discontinuidades en las que sus labios contactaban entre si a lo
largo de toda la longitud de la superficie considerada. Esta
resistencia al corte se reduce drsticamente cuando este contacto
desaparece en todo o en parte, y es sustituido por un material
blando de relleno, como los materiales arcillosos. En superficies
planas, como los planos de estratificacin caractersticos de las
rocas sedimentarias, una fina capa de arcilla dar lugar a una
disminucin significativa de su resistencia al corte. En una junta
muy rugosa u ondulada, el espesor del relleno tendr que ser mayor
que la amplitud de la ondulacin para que la resistencia al corte de
la junta se reduzca hasta aquella del material de relleno.
Barton (1974) llev a cabo una recopilacin bibliogrfica y una
revisin detallada del comportamiento resistente de las
discontinuidades con relleno. A partir de esta revisin, se presenta
en la tabla 5.1. un resumen de los valores de resistencia al corte
de los materiales de relleno de discontinuidades ms comunes.
En el caso de que los macizos rocosos que se analicen, presenten
juntas con espesores grandes de arcilla o material desagregado y en
el caso de que la resistencia al corte de las discontinuidades con
relleno pueda jugar un papel significativo en la estabilidad del
macizo rocoso, resulta harto recomendable enviar muestras de los
materiales de relleno a un laboratorio de mecnica de suelos para
analizar el comportamiento resistente de estos materiales que
marcar la resistencia al corte de las discontinuidades.
Influencia de la presin de aguaCuando existe presin de agua en
el macizo rocoso, esta produce un empuje que separa los labios de
la discontinuidad y reduce la tensin normal n. En condiciones de
rgimen permanente, en las que hay suficiente tiempo para que la
presin de agua alcance el equilibrio en el macizo rocoso, la tensin
normal reducida se define como n= (n- u), donde u es la presin de
agua. Esta tensin normal reducida n se suele denominar tensin
normal efectiva, y se puede utilizar en vez de del trmino tensin
normal n en todas las ecuaciones presentadas en los apartados
anteriores de este captulo.
Tabla 5.1: Resistencia al
Ro mca Descripcinc (MPa)
de pico
de picoc (MPa)
residual
residual
BasaltoBrecha basltica arcillosa, amplia variacin del contenido
en arcilla y basalto0.2442
BentonitaFiln bentontico en creta
Capas estrechas
Ensayos triaxiales0.015
0.09-0.12
0.06-0.17.5
12-17
9-13
Pizarra BentonticaEnsayos triaxiales
Ensayos de corte directo0-0.278.5-290-0.038.5
ArcillasSobreconsolidas, deslizamientos, juntas y cizallamientos
menores0-0.1812-18.50-0.00310.5-16
Lutita arcillosaEnsayos triaxiales
Superficies de estratificacin0.0632019-25
Lutitas en carbnCapas de arcillas milontica, 10 a 25
mm0.01216011-11.5
DolomitaCapa de lutita alterada0.0414.50.0217
Diorita, grano-diori ta y prfidoRelleno arcilloso (arcilla 2 %,
IP = 17%)026.5
GranitoFallas rellenas de arcilla
Relleno de falla arenoso
Zona de cizalla tectnica, granitos esquistosos y rotos, roca
desintegrada y arcilla.0-0.1
0.05
0.2424-45
40
42
Grauwaca1-2 mm de arcilla en planos de estratificacin.021
Calizacapa de 6 mm de arcilla
10-20 mm de relleno arcilloso