Propiedades Fisico Mecanicas En Macizos Rocosos

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Propiedades Fisico Mecanicas En Macizos Rocosos

  1. 1. 24/03/2008 Propiedades Físico Mecánicas Físico-Mecánicas en Macizos Rocosos Congreso de Estudiantes de Ingeniería Civil 2005 Francisco Gordillo E. UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA Planos débiles en rocas Referencias • Chernyshev, S.N. and Dearman, W.R. Rock Fractures. B tt R kF t Butterworth-Heinemann, th H i London • Goodman, R.E. Introduction to Rock Mechanics. Mechanics John Wiley & Sons New York Sons, 1
  2. 2. 24/03/2008 Propiedades de la roca matriz Naturaleza discontinua de las rocas Contraposición “roca intacta” – “macizo rocoso” 2
  3. 3. 24/03/2008 Naturaleza discontinua de las rocas • Las propiedades del macizo rocoso están determinadas por las discontinuidades: Lo importante en mecánica de rocas es lo que no es roca • Excepciones: – Construcciones a gran profundidad (≈ 3000 m para rocas dura) – Perforaciones y excavaciones – Rocas blandas (rocas salinas, yeso, argilitas, limolitas, depósitos terciarios que se comportan como suelos) Naturaleza discontinua de las rocas • Los bloques de roca se mueven más fácilmente en la dirección cinemáticamente posible • Bloques de roca rodeados por planos débiles de formas irregulares Juntas en un túnel a b a' b' Los bloques coaccionados dilatan la roca durante aa′ > bb′ deformaciones por corte 3
  4. 4. 24/03/2008 Naturaleza discontinua de las rocas • Comparación de algunas propiedades – Resistencia: muestra intacta > macizo rocoso – Permeabilidad: muestra intacta < macizo rocoso – Deformabilidad: muestra intacta < macizo rocoso Clasificación e identificación básica de las rocas 4
  5. 5. 24/03/2008 Clasificación • Desde el punto de vista genético – Sedimentarias – Metamórficas – Ígneas • Desde el punto de vista de su textura (según Goodman). Esta clasificación resulta más adecuada en ingeniería, en la evaluación del comportamiento mecánico – Textura cristalina – Textura clástica – Rocas de grano muy fino – Rocas orgánicas Clasificación I. Textura cristalina Cristales fuertemente entrelazados, de silicatos, carbonatos, sulfatos u otras sales Carbonatos y sales solubles Caliza, dolomita, rocas salinas, mármol, yeso Mica u otros minerales de forma Esquistos de mica, clorita, grafito plana en bandas continuas Silicatos formando bandas, sin Gneiss láminas continuas de mica Silicatos de tamaño de grano Granito, diorita, gabro, sienita uniforme orientados y distribuidos aleatoriamente Silicatos orientados y distribuidos Basalto, riolita, otras rocas aleatoriamente en una matriz de volcánicas grano muy fino, con cavidades Rocas que han soportado grandes Serpentinita, milonita esfuerzos de corte 5
  6. 6. 24/03/2008 Clasificación II. Textura clástica Bloques de varios tipos y granos de minerales diversos, cuyas propiedades vienen determinadas por el tipo de cementación que une los distintos elementos Cementación estable Areniscas con matriz silícea y areniscas limosas Cementación ligeramente soluble Areniscas y conglomerados de matriz de calcita Cementación altamente soluble Areniscas y conglomerados con matriz de yeso Cementación incompleta o débil Arenisca desmenuzable, toba Sin cementación Areniscas de matriz arcillosa Clasificación III. Rocas de grano muy fino Compuestas principalmente de arcillas o limos con deformabilidad, resistencia, durabilidad y tenacidad muy variable Rocas duras, isótropas Corneana, algunos basaltos Rocas duras, macroscópicamente Pizarras cementadas, rocas anisótropas pero isótropas laminares microscópicamente Rocas duras microscópicamente Pizarras, filitas anisótropas Rocas blandas, de características Creta, esquistos compactados, similares a los suelos margas 6
  7. 7. 24/03/2008 Clasificación IV. Rocas orgánicas Pueden ser de comportamiento viscoso, plástico o elástico Carbón blando Lignito, carbón bituminoso g , Carbón duro "Oil shale" Esquitos bituminosos Alquitrán arenoso Índices • Las propiedades de las rocas son muy variables d bid a l variedad d i bl debido la i d d de estructuras y componentes • Interesa disponer de una descripción cuantitativa de las rocas con un cierto número de medidas básicas • Algunas propiedades son relativamente fáciles de medir índices 7
  8. 8. 24/03/2008 Índices • Porosidad: proporción relativa de materia sólida y huecos • Densidad: añade información acerca de la composición mineralógica • Velocidad de transmisión de ondas: permite estimar el grado de fisuración (en combinación con un estudio petrográfico) • Permeabilidad: permite evaluar la interconexión relativa de los poros • Durabilidad: indica la tendencia a la descomposición de los componentes o estructuras, con la consecuente degradación de la calidad de la roca • Resistencia: determina la competencia de la matriz rocosa para mantener unidos sus componentes Índices • Los índices permiten una clasificación de las rocas para su uso en ingeniería • Los índices se obtienen a partir de ensayos de laboratorio con probetas de roca intacta clasificación para aplicaciones relacionadas principalmente con el comportamiento de la roca matriz y matriz, no para el macizo rocoso (discontinuidades,...) 8
  9. 9. 24/03/2008 Porosidad • Porosidad: – Es la proporción del volumen de huecos con relación al volumen total: Vp n= Vt – La porosidad representa un índice de la calidad de la roca – Típicamente, los valores son más bajos que en suelos η = 1 - γv/ γe Porosidad • Porosidad – Valores típicos: Rocas sedimentarias: Factor responsable: poros Puede oscilar entre: 0 < n < 90% Para una arenisca media, n ≈ 15% n disminuye con la profundidad n disminuye con la edad (desgaste) Rocas ígneas y metamórficas: g Factor responsable: fisuras Normalmente, n < 1 a 2% n aumenta con la edad (desgaste) hasta n = 20% o más 9
  10. 10. 24/03/2008 Relación porosidad – edad areniscas limolitas, margas, argilitas Relación porosidad – velocidad de transmisión de ondas limolita arenisca caliza granito basalto 10
  11. 11. 24/03/2008 Relación porosidad – resistencia granito rocas carbonatadas areniscas Densidad • Densidad: – El rango de variabilidad de la densidad de las rocas es mucho mayor que la de los suelos – El conocimiento de la densidad es importante en ingeniería y minería ya que tiene relación directa con la resistencia – Existe una buena correlación entre la densidad específica y: la resistencia la velocidad de transmisión de ondas algunas constantes elásticas 11
  12. 12. 24/03/2008 Densidad σC σT Relación entre la densidad específica y la resistencia a la compresión y a la tracción Densidad vL vS vB Relación entre la densidad específica y la velocidad de transmisión de ondas 12
  13. 13. 24/03/2008 Densidad E ν Relación entre la densidad específica y las constantes elásticas Densidades de rocas y minerales (kg/m3) range of density mean density range of density mean density 13
  14. 14. 24/03/2008 Velocidad de transmisión de ondas • Relativamente fácil de determinar, tanto ondas transversales como longitudinales • La velocidad de transmisión depende, en teoría, únicamente de las propiedades elásticas y de la densidad • Pero una red de fisuras superpuesta a la roca matriz tiene un efecto predominante • Por lo tanto, la velocidad de transmisión de ondas puede servir como índice del grado de fisuración de una roca Velocidad de transmisión de ondas • Índice de calidad: Vl IQ(%) = ×100% Vl* – siendo Vl la velocidad real de transmisión de ondas en la muestra, y Vl∗ la velocidad de transmisión de ondas de una muestra del mismo material sin poros ni fisuras. 14
  15. 15. 24/03/2008 Velocidad de transmisión de ondas • Dado que el IQ depende mucho del grado de fisuración, se ha propuesto un ábaco IQ-porosidad que sirva de base para la clasificación de una muestra de roca según su grado de fisuración: Permeabilidad • Importante en casos prácticos: – Extracción por bombeo de agua petróleo gas ... agua, petróleo, gas, – Almacenaje de residuos en formaciones porosas – Almacenaje de fluidos en cavernas – Estimación de la capacidad de retención del agua en embalses – Eliminación de agua en cavernas profundas • La presencia de fis ras altera radicalmente la fisuras permeabilidad de la roca matriz obtenida en el laboratorio necesarios ensayos de bombeo “in situ” 15
  16. 16. 24/03/2008 Durabilidad • La durabilidad es fundamental en todas las aplicaciones prácticas en ingeniería • Las propiedades de la roca se ven alteradas debido a exfoliación, hidratación, oxidación, abrasión, etc. • “Slake durability index”, Id (ensayo de durabilidad – mide la resistencia a la disgregación en ciclos d h di ió i l de humedecimiento) d i i t ) – Ciclo: secado en estufa a 105º 200 vueltas en tambor en 10 min – Se suelen usar dos ciclos Durabilidad Tambor de 140 mm Ensayo de durabilidad de diámetro y 100 mm de largo Paredes de un tamiz de 2 mm de apertura 500 g de roca en 10 piezas El tambor gira a 20 revoluciones por minuto durante 10 minutos en un b ñ i baño de agua Se mide el porcentaje de roca retenida dentro del tambor Id = % peso retenido peso inicial 16
  17. 17. 24/03/2008 Resistencia • La resistencia es una propiedad muy importante disponer de un índice de resistencia es de gran valor • Ensayo de carga puntual: – una muestra de roca se carga mediante dos conos de acero que provocan la rotura al desarrollarse fisuras paralelas al eje de carga – probetas cilíndricas de Ø 50 mm, con una longitud al menos de 1.4 veces el diámetro Ensayo de carga puntual Prensa Franklin 17
  18. 18. 24/03/2008 Ensayo de carga puntual Esquema del montaje Ensayo de carga puntual • Falta de material adecuado • Necesidad de gran número de ensayos, a realizar in situ • Índice de carga puntual: P = fuerza necesaria para Is = P2 romper la muestra De = diámetro equivalente De W = anchura media de la muestra 4 D = distancia entre las De2 = WD puntas de los conos en el π momento de rotura 18
  19. 19. 24/03/2008 Ensayo de carga puntual Correlación entre el índice de carga puntual y la resistencia a la compresión simple Ensayo de carga puntual • Correlaciones: – B h & F kli (1972) σ c = 24Is Broch Franklin (1972): 24I – Brook (1993): T =1,5I 0 s T =1,5Is 0 donde: • σc = resistencia a la compresión • T0 = resistencia a la tracción 19
  20. 20. 24/03/2008 Clasificación de los macizos rocosos Clasificación de Bieniawski • Rock Mass Rating • Proporciona un índice RMR, indicador de la calidad de la roca, que está entre 0 y 100 T =1,5Is 0 • El cálculo del RMR se basa en cinco parámetros universales: 20
  21. 21. 24/03/2008 Clasificación de Bieniawski 1. Resistencia de la roca Incrementos de RMR para la resistencia a la compresión de la roca Resistencia a la compresión Contribución simple (MPa) >200 15 100–200 12 50–100 50 100 7 25–50 4 10–25 2 3–10 1 <3 0 12 Clasificación de Bieniawski 2. Calidad de un testigo perforado Incrementos de RMR para la calidad de un testigo perforado RQD (%) Contribución 91–100 20 76–90 17 51–75 13 25–50 25 50 8 <25 3 RQD: "Rock Quality Designation", es el porcentaje de longitudes del testigo superiores a dos veces el diámetro 12+13 21
  22. 22. 24/03/2008 Clasificación de Bieniawski 3. Condiciones de agua en el terreno Incrementos de RMR debidos a las condiciones de agua en el terreno Presión de agua en Caudal por cada las juntas dividida 10 m de longitud de túnel ó ó Condiciones Generales Contribución por la tensión (l/min) principal mayor 0 0 Completamente seco 10 25 0.0–0.2 Húmedo 7 Agua bajo presión 25–125 0.2–0.5 4 moderada Problemas severos 125 0.5 0 debidos al agua 12+13+7 Clasificación de Bieniawski 4. Separación de juntas y fisuras Incrementos de RMR para la separación de juntas del sistema principal Separación (m) Contribución >3 30 1–3 25 0.3–1 20 0.005–0.3 0 005 0 3 10 <0.005 5 12+13+7+10 22
  23. 23. 24/03/2008 Clasificación de Bieniawski 5. Características de las juntas (1) Incrementos de RMR para la orientación de las juntas Apreciación de la Contribución Contribución influencia de la para para túneles orientación cimentaciones Muy favorable 0 0 Favorable -2 -2 Moderada -5 -7 Desfavorable -10 -15 Muy desfavorable -12 -25 12+13+7+10-15 Clasificación de Bieniawski 5. Características de las juntas (2) Incrementos de RMR para las condiciones de las juntas Descripción Contribución Superficies muy rugosas de extensión limitada; 25 roca dura Superficies ligeramente rugosas; apertura menor a 20 1 mm; roca dura Superficies ligeramente rugosas; apertura menor a 12 1 mm; roca blanda ; Superficies lisas, ó con relleno de 1–5 mm, ó apertura de 1–5 mm; juntas de varios metros de 6 longitud Juntas abiertas rellenas con más de 5 mm, ó apertura mayor de 5 mm; juntas de varios metros 0 de longitud 12+13+7+10-15+12=39 23
  24. 24. 24/03/2008 Clasificación de Bieniawski Clasificación geomecánica Descripción del Clase RMR macizo rocoso I Roca muy buena 81–100 II Roca buena 61–80 III Roca aceptable 41–60 IV Roca mala 21–40 V Roca muy mala 0–20 Contribución=39 Comportamiento mecánico 24
  25. 25. 24/03/2008 Modos de rotura en roca flexión tracción directa cortante compresión + tracción + cortante Modos de rotura en roca cristal metal roca: no lineal fluencia frágil de transición dúctil 25
  26. 26. 24/03/2008 Comportamiento mecánico de la roca matriz • Preparación de las p obetas epa ac ó as probetas – extracción del testigo – corte de las caras – refrentado mecánico • Ensayos: – compresión simple – tracción – triaxial – corte Planos débiles en rocas 26
  27. 27. 24/03/2008 27
  28. 28. 24/03/2008 28
  29. 29. 24/03/2008 29
  30. 30. 24/03/2008 30
  31. 31. 24/03/2008 Introducción • Roca: material real muy distinto del que desearíamos elegir para un t t i t d í l i tratamiento matemático tipo "medio continuo" • Medio heterogéneo y casi siempre discontinuo • Discontinuidades: naturales o inducidas artificialmente (excavaciones, voladuras, reajuste de tensiones,...) Introducción • Juntas: – Fisuras aproximadamente planas y paralelas entre sí, con separaciones del orden de centímetros hasta decenas de metros – Una familia de juntas paralela a los planos de sedimentación, más dos familias en otras direcciones. di i – Rocas ígneas o metamórficas pueden tener tres o más familias de juntas 31
  32. 32. 24/03/2008 Introducción Tipos de familias de fisuras: (a) esferoidal en andesitas (b) poligonal en basaltos (c) poligonal en calizas (d) regular en granitos (e) regular en areniscas y lutitas (f) caótico en doleritas y otras rocas ígneas. Introducción Pequeñas juntas cruzadas y una discontinuidad larga Superficie de fractura de gran longitud, formada por la unión de pequeñas juntas individuales 32
  33. 33. 24/03/2008 Introducción Fisuras discretas (S) y distribuidas (M): cada tipo requiere un estudio diferente Introducción • Planos “débiles”: – debilitan el macizo rocoso – el macizo rocoso es más deformable – anisotropía: se reduce la resistencia al corte y se aumenta la permeabilidad en los planos débiles se aumenta la compresibilidad y se disminuye la resistencia a la tracción en la dirección perpendicular a los planos débiles 33
  34. 34. 24/03/2008 Discontinuidades • Discontinuidad: es un término colectivo que indica cualquier corte (fisura grieta …) en el (fisura, grieta, ) macizo rocoso con resistencia a la tracción nula o muy baja: – Todo tipo de fracturas – Diaclasas – Planos de estratificación (débiles) – Fallas – Zonas de contacto entre distintas formaciones geológicas – Zonas de concentración de esfuerzos de corte Discontinuidades • Caracterización de las discontinuidades: – Orientación – Separación – Apertura – Continuidad (persistencia) – Características de las superficies de contacto 34
  35. 35. 24/03/2008 Discontinuidades • Orientación: – la orientación de las discontinuidades con respecto a las cargas aplicadas puede ser crítica para la estabilidad o la deformabilidad – filtración de agua también depende de la orientación Discontinuidades • Apertura y separación: – apertura: distancia entre las dos caras de una fractura – separación: distancia entre dos planos de discontinuidad de una misma familia – apertura y separación controlan las propiedades del macizo en relación al movimiento de agua – aperturas grandes facilitan el movimiento de agua y el relleno de las mismas por materiales de aportación 35
  36. 36. 24/03/2008 Discontinuidades • Persistencia: – indica si la fractura es “persistente” o está formada por pequeñas fracturas unidas por roca intacta – una fractura persistente es más deformable y débil que las pequeña unidos por puentes de roca Discontinuidades • Características de las superficies de contacto: – las características físicas de las superficies de contacto son muy importantes para la estabilidad y deformabilidad del macizo rocoso rugosidad ondulación meteorización existencia de material de relleno humedad natural … 36
  37. 37. 24/03/2008 Discontinuidades (Perfilometro) 0.05 mm 0.05 mm Obtención de muestras corte con sierra anclajes preinstalados resina plástica de moldeo, superficie arcilla natural de la junta JUNTAS NATURALES JUNTAS ARTIFICIALES 37
  38. 38. 24/03/2008 Obtención de muestras perforación orientada molde Resistencia de macizos fracturados 38
  39. 39. 24/03/2008 Anisotropía de las rocas • Materiales anisótropos: sus propiedades varían en función de la dirección considerada para su medida • Rocas → material anisótropo: resistencia, deformación, etc. • Causas: distribución aleatoria de las discontinuidades (fi di ti id d (fisuras, di l diaclasas), ) presencia en bandas de distintos minerales, alternancias, etc. Anisotropía de las rocas Variación de la resistencia en función del ángulo que forman los planos de anisotropía con las tensiones principales 39
  40. 40. 24/03/2008 Anisotropía de las rocas Mohr-Coulomb: τ β = c + σ β tan ϕ Sobre el plano de rotura: σ1 − σ 3 τβ = sin 2 β 2 σ +σ σ −σ σ β = 1 3 − 1 3 cos 2β 2 2 Condición de rotura sobre el plano β: 2(c + σ 3 tan ϕ ) σ1 ≥ σ 3 + (1 − tan ϕ tan β ) sin 2β Evaluación de la seguridad en rocas fisuradas • Factor de seguridad: ¿cómo definirlo? máxima carga externa posible λE = carga real aplicada – multiplicador de la carga – no es muy realista (la presión hidrostática no presenta incertidumbre) – es la definición tradicional – expresa la capacidad de aguantar cargas externas Factor de Seguridad = min{λE} para todos los mecanismos de rotura 40
  41. 41. 24/03/2008 Evaluación de la seguridad en rocas fisuradas • Factor de seguridad: ¿cómo definirlo? resistencia al corte λϕ = tensión de corte real aplicada – incluye la incertidumbre de los parámetros resistentes (c, φ, …) – más realista Factor de Seguridad = min{λφ} para todos los mecanismos de rotura Evaluación de la seguridad en rocas fisuradas • ¿Qué necesitamos? 1) análisis tensional incluyendo peso propio y, además, estudio por separado de cada uno de los sistemas de carga externa 2) un mecanismo de rotura específico para una dirección determinada de deslizamiento, y la , distribución de tensiones en los planos débiles que definen la superficie de deslizamiento 41
  42. 42. 24/03/2008 El caso de la presa de Canelles • Canelles es una presa bóveda de 140 m de lt d altura en el río N l í Noguera Rib Ribagorzana • La cimentación consiste en rocas calizas fisuradas – familia principal de diaclasas verticales p paralelas al valle – discontinuidades formadas por planos de estratificación con buzamiento de 45º aguas arriba El caso de la presa de Canelles planos de familia estratificación principal 42
  43. 43. 24/03/2008 El caso de la presa de Canelles El caso de la presa de Canelles 43
  44. 44. 24/03/2008 Gracias G i 44

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