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Universidad Tecnológica Nacional
Facultad Regional Rosario
Departamento de Ingeniería Civil.
Geología Aplicada a la Ingeniería Civil y al Medio Ambiente
Unidad Temática 6
ESTABILIDAD DE LOS MACIZOS ROCOSOS
2º Año - Ingeniería Civil
Docentes:
Ing. Claudio Giordani
Ing. Gustavo Lanzone
-ESTABILIDAD DE LOS MACIZOS ROCOSOSUnidad Temática 6 del Curso Geología Aplicada a la Ingeniería Civil y al Medio Ambiente
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INTRODUCION.
PROPIEDADES INGENIERILES DE LAS ROCAS.
Las rocas, y otros materiales pétreos artificiales utilizados en la construcción, son sustancias
heterogéneas caracterizadas por amplios rangos de variación composicional, textural y estructural.
Esta variabilidad hace que las propiedades de los materiales, que son las que dictan sus campos
de aplicación, sean también variables. Así, la adecuación de un material para un propósito
concreto, tanto desde el punto de vista constructivo-ornamental como restaurador, debe basarse
en determinadas propiedades que deben, a su vez, ser fácilmente medibles en el laboratorio.
Las propiedades de los materiales se clasifican generalmente como físicas y mecánicas, aunque
en el campo de la construcción/ornamentación/restauración también pueden incluirse las
propiedades relacionadas con su trabajabilidad. Es evidente que la lista de propiedades que
pueden medirse en un material es muy extensa. Por ello en este tema se presentan aquellas que
tienen más relevancia desde el punto de vista que nos interesa.
ESTABILIDAD DE TALUDES EN MACIZOS ROCOSOS.
Los taludes en macizos rocosos se pueden encontrar tanto en obras de ingeniería civil vinculadas
con obras lineales como en obras de minería, es decir en cortas mineras.
La geometría de los taludes en minería se define a priori, y con coeficientes de seguridad muy
ajustados. En obras lineales, al contrario, la situación del desmonte puede cambiar de manera
significativa, a lo largo de la vida de la obra e incluso se puede modificar variando la traza.
La ingeniería de taludes rocosos representa hoy en día uno de los factores principales en la
optimización de obras lineales y en las explotaciones mineras a cielo abierto.
Los parámetros geométricos básicos que definen la superficie exterior del talud son el ángulo de
inclinación del mismo, y en algunos casos la altura del talud. El diseño del ángulo de la inclinación
del talud tiene importancia; en grandes obras un pequeño cambio puede tener grandes
consecuencias en la economía general de la excavación.
La mayoría de cortas mineras hacen frente a la excavación de taludes en rocas cada vez más
profundos y más inclinados. Últimamente las profundidades de excavación de taludes mineros han
aumentado enormemente debido al aumento de las posibilidades de su explotación.
1.
PROPIEDADES FISICAS
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1.1.
Isotropía y Anisotropía:
Estos conceptos se utilizan para calificar el comportamiento de los materiales respecto de las
direcciones del espacio. Así, un material es isótropo respecto de una propiedad determinada
cuando esa propiedad no varía al variar la dirección en la que se mida la propiedad. En este caso,
se dice que la propiedad es escalar. Por el contrario, un material es anisótropo cuando la
propiedad varía según la dirección considerada. En este caso, la propiedad es vectorial.
1.2.
Densidad y Peso Específico:
Aunque se utilizan indistintamente, los términos de densidad y peso específico no son idénticos.
La densidad es la relación entre la masa y el volumen de la sustancia, midiéndose en unidades de
masa/unidades de volumen.
Se le llama peso específico a la relación entre el peso de una sustancia y su volumen.
Su expresión de cálculo es:
Unidades: gr/cm3, ton/m3, kg/m3, etc.
PESO ESPECIFICO DE ROCAS DE CONSTRUCCIÓN
Peso específico aparente
Material
Kg/m3
Rocas
1.3.
Arenisca
2.600
Arenisca porosa y caliza porosa
2.400
Basalto, diorita
3.000
Calizas compactas y mármoles
2.800
Granito, sienita, diabosa, pérfido
3.800
Gneis
3.000
Pizarra de tejados
2.800
Porosidad:
Es el porcentaje del volumen total de un material que es espacio poroso o intersticial.
donde: P es la porosidad total (%)
Vp (m3) es el volumen de poros
Vsólidos (m3) es el volumen agregado de las partículas sólidas y
Vo (m3) es el volumen total de la muestra.
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Los poros son pequeños espacios abiertos existentes en los materiales rellenos por soluciones
acuosas y/o gaseosas.La mayoría de las veces la porosidad consiste en los espacios entre las
partículas del suelo, los sedimentos y las rocas sedimentarias; también hay otro tipo de porosidad
que formado por grietas, fracturas, fallas y vesículas de rocas volcánicas como se ve en la figura
siguiente:
Relación entre textura y porosidad. (a)-(d). Depósitos sedimentarios de distinta granulometría y
porosidad: (a) uniforme y alta porosidad; (b) no uniforme y baja porosidad; (c) uniforme con piedras
porosas y alta porosidad; (d) uniforme con porosidad reducida por mineral en los intersticios; (e) roca con
porosidad debida a una solución; (f) roca con porosidad debido a fracturas.
La porosidad de una roca depende del tamaño, forma y disposición del material del que se
compone.
a) Una roca sedimentaria bien clasificada tiene una porosidad elevada, en tanto que
b) una roca mal clasificada tiene poca porosidad.
c) En las rocas solubles como las calizas, la porosidad puede aumentar por disolución,
mientras que
d) Las rocas metamórficas cristalinas y las ígneas se vuelven porosas por fracturamiento.
Valores de porosidad de diversos materiales.
Material
Porosidad (%)
Sedimento no consolidado
Suelo
Grava
Arena
Limo
Arcilla
55
20
25
35
50
–
–
–
–
40
50
50
70
Rocas
Arenisca
Lutita
Actividad de solución en caliza
y dolomía.
Basalto fracturado
Granito fracturado
5 - 30
0 - 10
10 – 30
5 - 40
10
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1.4.
Permeabilidad:
Es la capacidad de un material para transmitir los fluidos. Depende de la porosidad y del tamaño
de los granos o fracturas y sus interconexiones. Los depósitos de limo o arcilla son típicamente
más porosos que los de arena o grava pero su permeabilidad es baja porque los poros entre las
partículas de arcilla son muy pequeños, mientras la atracción molecular entre estas y el agua es
grande, lo que obstaculiza el movimiento del agua.
Los espacios porosos entre los granos de arenisca y conglomerados son mucho mayores, por lo
tanto la atracción molecular en el agua es baja. Las rocas sedimentarias químicas y bioquímicas,
como la caliza y la dolomía así como muchas rocas ígneas y metamórficas que están muy
fracturadas también pueden ser muy permeables siempre que las fracturas estén interconectadas.
La permeabilidad de una roca se mide por el coeficiente de permeabilidad o de conductividad
hidráulica, k, expresada en m/s, cm/s o m/día.
2.
PROPIEDADES MECANICAS
Las propiedades mecánicas definen la capacidad del material para resistir acciones externas
o internas que implican la aplicación de fuerzas sobre el mismo. Esencialmente, estas fuerzas son
de compresión, tensión (o tracción), flexión y de dureza.
2.1.
Resistencia a la compresión
La resistencia a la compresión es la carga (o peso) por unidad de área a la que el material falla (se
rompe) por fracturación por cizalla o extensional según la figura. Esta propiedad es muy
importante en la mecánica de materiales, tanto en situación no confinada (uniaxial) como
confinada (triaxial). Dado que los materiales cerca de la superficie terrestre, incluyendo los
edificios, suelen estar sometidos a condiciones no confinadas, consideraremos exclusivamente esta
situación. En este caso, la resistencia a la compresión uniaxial (longitudinal) se mide en una
prensa hidráulica que registra el esfuerzo compresor aplicado sobre una probeta de material en
una dirección del espacio, y la deformación lineal inducida en esa misma dirección.
La metodología experimental puede seguir la norma ASTM D3148-86, según la cual las probetas
de muestra serán cilíndricas, con una relación altura/diámetro comprendida entre 2.5 y 3
(ejemplo: 10 cm de altura por 4 cm de diámetro). Deben ensayarse al menos 5 probetas por cada
tipo de material, manteniendo la tasa de aplicación de la carga constante (entre 0.5 y 1 MPa/s).
Por otra parte, hay que evitar una mala colocación de la probeta en la prensa, para asegurar una
distribución homogénea del esfuerzo compresor.
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Desarrollo de fracturas extensionales y de cizalla como resultado de compresión.
Es importante indicar que los resultados obtenidos en los experimentos de resistencia a la
compresión para un mismo material dependen de la forma y tamaño de la probeta. Así, los
prismas y cilindros largos presentan menores resistencias a la compresión que los cubos con
la misma área de sección, y estos a sus veces menores que los prismas y cilindros cortos (con
alturas menores que sus lados o radios). Igualmente, la resistencia a la compresión depende de la
tasa de aplicación de la carga, de forma que a mayores velocidades de compresión mayor es el
valor de la resistencia.
El esfuerzo es igual a la fuerza aplicada por sección o superficie:
donde:
Fl es la fuerza aplicada longitudinalmente, expresada en newtons en el sistema mks
(N=kg·m·s 2), dinas en el sistema cgs o kilogramos-fuerza en el sistema técnico
S es la sección de la probeta (m2) y σl es el esfuerzo lineal expresado en MPa (N/m2),
dinas/cm2 o kg/cm2 (las dimensiones del esfuerzo son las mismas que las de presión).
La deformación lineal es igual al cambio de longitud experimentado por la longitud original de la
probeta:
donde: l0 (m) es la longitud original
l1 (m) es la longitud final
∆l (m) es el incremento de longitud de la probeta.
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El valor de Ɛl (que es adimensional) es generalmente muy pequeño para materiales pétreos (del
orden de 0.01 y menores).
La deformación inducida sobre un cuerpo debido a la acción de un campo de fuerzas exteriores
puede ser elástica o plástica.
La deformación es elástica cuando el cuerpo recupera su forma y volumen inicial una vez cesada la
acción de las fuerzas externas. En caso contrario, la deformación es plástica (esto es, si la
deformación persiste en parte). El que la deformación sea elástica o plástica depende de la
naturaleza del cuerpo, de la temperatura, y del grado y tasa (velocidad) de deformación al que ha
sido sometido. A temperatura constante, los materiales se comportan normalmente como elásticos
cuando los esfuerzos aplicados son pequeños, si bien se tornan plásticos cuando los esfuerzos
superan un cierto límite.
Para estudiar el comportamiento mecánico de los materiales, se recurre a la experimentación
sometiendo a los mismos a esfuerzos progresivos y registrando la deformación resultante. Estos
datos se expresan en diagramas σl-ε
εl como los de la figura A.
La proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación en el tramo de la ley de Hooke permite
definir el módulo de Young o módulo de elasticidad (E). Este módulo es la constante de
proporcionalidad, de manera que:
donde:
E es el módulo de elasticidad. El valor del módulo de Young es característico para distintos
materiales, por lo que puede utilizarse para comparar las características mecánicas de los mismos.
Figura A. Curva esfuerzo-deformación para compresión, con ilustración de los tramos elástico y plástico.
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En la Figura A puede apreciarse un tramo de la curva σl-εl donde el esfuerzo es directamente
proporcional a la deformación. Este comportamiento constituye la ley de Hooke, que aplica solo
para pequeñas deformaciones, hasta un límite denominado límite de proporcionalidad,
representado en la Figura por el punto a.
Para deformaciones superiores al límite de proporcionalidad, existe un cierto tramo de la curva
σl-εl donde el comportamiento del material es elástico, aunque no existe proporcionalidad entre el
esfuerzo y la deformación. El límite en el que el comportamiento del material deja de ser elástico
se denomina límite elástico, representado por el punto b de la curva en la Figura A.
Al aumentar el esfuerzo y superarse el límite elástico (punto b), la deformación aumenta
rápidamente y es en parte permanente. Así, si se disminuye el esfuerzo aplicado lentamente a
partir del punto c de la curva, se recorrerá el trayecto indicado por una flecha de puntos hasta
alcanzar el punto donde el esfuerzo es nulo, pero existe una cierta deformación permanente (el
cuerpo no recupera su longitud original). Al aumentar el esfuerzo se llega finalmente al punto d,
denominado punto de ruptura, donde el cuerpo experimenta una fracturación catastrófica por
cizalla o fisuración extensional. Este punto de ruptura define, en términos del esfuerzo compresivo,
la resistencia a la compresión (R).
La resistencia a la compresión de los materiales de construcción es muy variable, oscilando
desde materiales:
•
muy débiles (<70 kg/cm2)
•
débiles (70-200 kg/cm2)
•
moderadamente resistentes (200-700 kg/cm2)
•
fuertes (700-1400 kg/cm2) hasta
•
muy fuertes (>1400 kg/cm2).
Las rocas naturales son relativamente resistentes a la compresión (no tanto a la tracción y flexión),
aunque las rocas sedimentarias son las más débiles debido sobre todo a su mayor porosidad y
variable grado de cementación, al igual que los hormigones (ver tabla). Aunque no puede
generalizarse el efecto del tamaño de grano, puede decirse que, en general, la resistencia a la
compresión aumenta a medida que aumenta el tamaño de grano de los materiales, a igualdad de
otras variables como composición mineral, estructura, porosidad, cementación, etc.
Tabla: Resistencia a la compresión de algunas rocas y
materiales de construcción.
Granito
Sienita
Gabro, diabasa
Basalto
Caliza
Arenisca
Gneiss
Cuarcita
Mármol
Pizarra
Hormigón
(Mpa)
97 310
186 434
124 303
110 338
14 255
34 248
152 248
207 627
69 241
138 207
5.5
69
kg/m2·106
10
32
19
44
13
31
11
34
1
26
4
25
15
25
21
64
7
25
14
21
1
7
kg/cm2·103
1.0 3.2
1.9 4.4
1.3 3.1
1.1 3.4
0.1 2.6
0.4 2.5
1.5 2.5
2.1 6.4
0.7 2.5
1.4 2.1
0.1 0.7
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La presencia de agua en el interior del sistema poroso de un material altera sus propiedades
mecánicas. Este efecto se debe dos causas:
1) al desarrollo de presiones hidráulicas en los poros rellenos de agua que afectan a los
esfuerzos intergranulares (ejemplo: contactos de granos), y
2) a la alteración de las propiedades de superficie de los granos (minerales). Esto puede causar
inestabilidad a lo largo de superficies más débiles y disminuir la resistencia a la cizalla o fricción,
produciéndose una reducción más o menos significativa de su resistencia a la compresión.
La razón entre los coeficientes de resistencia a la compresión del material saturado en agua y
seco, denominado coeficiente de ablandamiento, es una medida del efecto del agua sobre la
resistencia a la compresión:
donde: Ks es el coeficiente de ablandamiento (adimensional)
Rs (Pa) es la resistencia a la compresión del material saturado en agua y
Rd (Pa) es la resistencia a la compresión del material seco.
Para algunos materiales muy porosos fácilmente empapables, este coeficiente tiende a 0, ya
que Rs tiende a 0, mientras que otros materiales poco porosos como vidrios o aceros el coeficiente
de ablandamiento tiende a 1, esto es, retienen sus propiedades mecánicas ante la presencia de
agua. Los materiales con coeficientes de ablandamiento mayores de 0.8 se califican de resistentes
mecánicamente respecto de la acción del agua. Los materiales con coeficientes menores de 0.8
nunca deben exponerse a la acción de la humedad (ejemplo: zócalos de elementos constructivos
que sufren infiltración capilar), y en caso de exponerse, deben aislarse de la humedad con
barreras impermeables o tratarse con productos hidrofugantes.
Curvas de deformación.
Como resultado de una serie de ensayos con veintiocho tipos de rocas, Millar clasifica las curvas de
tensión /deformación en los seis tipos que aparecen en la figura B. El tipo I presenta una forma
prácticamente lineal hasta que se produce una rotura repentina. Este comportamiento es típico de
los basaltos, cuarcitas, diabasa, dolomía y calizas extraordinariamente duras. Las calizas más
blandas, y tobas presentan una afluencia inelástica, continuamente creciente al aproximarse a la
carga de rotura, la cual puede caracterizarse por la curva del tipo II de la figura B.
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La curva del tipo III es típica de la arenisca, granito, esquistos cortados paralelamente a la
estratificación y algunas diabasas. Las rocas metamórficas, como mármoles y gneis, están
representadas por una curva en S con una parte central muy escarpada, de acuerdo con el tipo
IV. Solamente las muestras de esquisto cortadas perpendicularmente a la estratificación presentan
la elevada comprensibilidad que señala la curva en S del tipo V. Las curvas de los tipos III, IV, V
se caracterizan por una parte inicial cóncava hacia arriba que se hace más pendiente al cerrarse
las superficies de micro fisuras o exfoliación. La parte inicial se continúa por otra claramente lineal
que va mostrando gradualmente diversos grados de fluencia anelástica al acercarse a la rotura.
Las rocas del tipo III no presentan fluencia apreciable y se rompen de una forma frágil semejante
a las del tipo I.
La curva del tipo VI es característica de la sal gema y tiene una pequeña parte inicial seguida por
una deformación inelástica creciente y una fluencia continua. Esta curva es también típica del
comportamiento de la sal potásica y otras evaporizas.
Figura B. Curvas típicas tensión-deformación para rocas a compresión simple ensayadas hasta la rotura.
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2.2.
Resistencia a la tracción.
Existen distintas técnicas para medir la resistencia a la tensión, tanto en materiales pétreos como
en morteros, cementos y hormigones. En el ensayo de tracción directa, quizás el más apropiado,
se utilizan probetas cilíndricas con una razón longitud/diámetro de 2 a 2.5. Los extremos de las
probetas se introducen (y pegan con resina epoxi) en unas cápsulas que están unidas a cadenas
que transmiten el esfuerzo tensional sin introducir componentes de torsión. La norma ASTM D2936
regula los métodos y condiciones experimentales para este ensayo.
Los conceptos, definiciones y controles de la deformación introducidos anteriormente para la
resistencia a la compresión pueden ser extendidos sin más problema a la resistencia a la tensión.
Respecto de los materiales pétreos de construcción, puede generalizarse que, para un material
dado, la magnitud de la resistencia a la tensión suele ser de un orden de magnitud menor que la
resistencia a la compresión. En la Tabla siguiente se presentan valores de resistencia a la tensión
para algunas rocas medidos con la técnica de tracción directa.
Tabla: Resistencia a la tensión (Mpa) de algunas rocas
Basalto
Conglomerado
Calizas
Arenisca
Arenisca calcárea
Esquistos
8.6
29.7
4.2 - 5.8
1.1 - 1.7
4.3
3.1
Prueba de tracción directa
Como no suele ser necesaria una determinación exacta de la resistencia a tracción del material
rocoso, ésta se suele medir generalmente por métodos rápidos indirectos. El “ensayo Brasileño”
es un método indirecto muy usado para determinar la resistencia a tracción de la roca. En este
ensayo, una probeta cilíndrica de longitud L diámetro D se carga diametralmente con una carga P.
La muestra se suele romper según el eje de carga diametral y se calcula la resistencia a la tracción
σ t en rotura mediante la ecuación que da la tracción uniforme que actúa sobre la mayor parte del
diámetro, normalmente a la línea que une los puntos de carga de acuerdo con la teoría elástica.
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Prueba de tracción indirecta
σt =
2.3.
2 .P
π .D.L
Resistencia al corte/cizalla.
Tensiones en un ensayo de corte directo:
Prueba de laboratorio para la obtención de la resistencia al corte de muestras de rocas.
Ventajas y desventajas del ensayo de corte directo:
a) El plano de corte se produce siempre según el plano de la máquina de corte y de cómo se
coloque la probeta en la misma.
b) Sirve para analizar planos de fallas en macizos rocosos
c) En todos los casos los ensayos son drenados ya que no se puede contener y menos medir las
presiones neutras.
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Fundamentación de la ejecución de ensayos triaxiales:
En una estructura que se construye con madera, hormigón armado o acero, se realizan
ordinariamente ensayos de compresión y de tracción sobre probetas del material.
- En los suelos en general como se trata de un aglomerado de partículas con y sin cohesión, la
resistencia al corte del material, estará dado por la presión de confinamiento a que esté sometido
ese grupo de partículas
-Es primordial por lo tanto planificar ensayos que respeten o consideren la presión de
confinamiento que soportan los suelos en profundidad.
- Ello se logra con los ensayos Triaxiales.
-
Los resultados de los ensayos triaxiales pueden resumirse en un diagrama de Mohr como el de la
figura C. En este diagrama cada ensayo triaxial está representado por un círculo de Mohr, función
de las tensiones principales mayor y menor en rotura, ignorándose la influencia de la tensión
principal intermedia. Normalmente la rotura se define por el punto del diagrama tensióndeformación, donde la diferencia de tensiones es máxima. La curva tangente a la familia de
círculos de Mohr correspondientes a ensayos realizados con diferentes presiones de confinamiento
es la denominada curva de resistencia intrínseca de la roca ensayada. Mediante ensayos realizados
con una amplia gama de presiones, suele ser posible aproximar la curva de resistencia intrínseca
mediante una línea recta. En este caso el ángulo que la envolvente forma con el eje de abscisas se
denomina ángulo de fricción interna φ, y la ordena en origen es la llamada cohesión c.
La relación entre las tensiones principales mayor y menor en rotura puede expresarse en función
de los parámetros de Mohr-Coulomb por:
σ 1 = σ 3⋅ ⋅ N φ + 2 ⋅ c N φ
Siendo Nφ= (1 + sen φ)/(1- sen φ).
Figura C.
Resistencia al corte:
σ0 = tensión normal
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Parámetros típicos de resistencia al corte de rocas intactas.
3.
CLASIFICACION DE ROCAS EN INGENIERÍA.
- METODO DE DEERE Y MILLER-
Clasificación de rocas
intactas.
Resumen de rocas ígneas.
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Clasificación de rocas
intactas.
Resumen de rocas sedimentarias.
Clasificación de rocas intactas.
Resumen de rocas metamórficas.
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4.
CLASIFICACION DE ROCAS “IN SITU” PARA OBRAS DE INGENIERÍA.
-METODO RQD (ROCK QUALITY DESIGNATION)-
Recuperación modificada de testigo como índice de calidad de una roca.
Relación entre el RQD y la calidad de una roca.
Terminología descriptiva para la separación entre diaclasas.
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5.
EXCAVACIONES.
Cuando iniciamos una excavación, estamos rompiendo el equilibrio que existe entre un sistema, a
veces muy complejo, de fuerzas o tensiones. Si realizamos la excavación en arena seca, los granos
de las paredes deslizan hacia el fondo y este desplazamiento, se detiene cuando se consigue un
cierto ángulo de talud natural. Este ángulo, es independiente de la altura del talud.
La arena es un suelo sin cohesión. Si hacemos la misma operación en una arcilla, podemos
obtener una cierta profundidad, con paredes casi verticales. En este caso, podríamos ver que el
ángulo de talud natural, varía con la altura ya que la arcilla tiene mayor cohesión.
Entre una arena pura y una arcilla plástica, existe una extensa gama de suelos, con diferentes
coeficientes de rozamientos y cohesión. La experiencia, nos muestra que el suelo, tiende siempre a
restablecer este equilibrio que estamos rompiendo. En algunos casos, lo hace de inmediato, (caso
de la arena), en otros, es más lento y puede durar horas, días, meses e incluso años.
Si conociéramos ese tiempo, podríamos realizar la excavación sin riesgo, pero el restablecimiento
de este equilibrio, depende de múltiples factores que sólo podemos obtener de un estudio
exhaustivo.
Se denominan movimientos de tierras aquellos trabajos que se relacionan con la modificación del
relieve de un terreno. Esta modificación de niveles del suelo se realiza por la ejecución de
desmontes y terraplenes. El desmonte consiste en rebajar el nivel del terreno por extracción de las
tierras; el terraplén, en aporte de tierras para elevar aquel nivel.
Las excavaciones son movimientos de tierras cuya profundidad, en relación con la superficie o el
ancho es más importante.
El problema geológico en obras de ingeniería.
Las estructuras de ingeniería son hechas "a la medida"; su eficiencia y economía depende de la
manera como se adaptan a las peculiaridades del lugar: topografía, agua superficial y subterránea,
y composición física del subsuelo. Todos los factores anteriores se combinan para generar
problemas que deben resolverse para construir estructuras permanentes, dentro de un
presupuesto determinado.
El primer paso para resolver cualquier problema de geología para construcciones es identificar
todos aquellos factores geológicos que puedan generar dificultades ingenieriles. Hay que evaluar
fallas, pliegues, estratigrafía, petrografía, geomorfología e hidrogeología.
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El segundo paso es traducir el significado de todos los factores anteriores en términos que
entienda el ingeniero y le sean útiles para responder preguntas como:
-¿Ese material será estable en pendientes con tal ángulo?
-¿Esta cimentación se asentará, cuánto y qué tan rápidamente?
-¿Estos suelos servirán de soporte para la cimentación planeada?
-¿Si excavo aquí, qué tanta agua saldrá?
-¿El agua de esas rocas será corrosiva?
-¿Qué tan uniforme será ese coluvión en profundidad?
-¿Cuánto espesor de material debo remover para llegar a la capa de buena calidad?
Evaluación del perfil del subsuelo.
Uno de los pasos fundamentales en cualquier investigación de cimentaciones o en cualquier
excavación es describir el perfil del subsuelo. El único límite que se conoce con certeza es la
superficie del terreno. La ubicación inferida de las rocas o materiales en el subsuelo normalmente
se deriva por interpolación y extrapolación lógica a partir de sondeos bastante espaciados. Allí los
principios de geología para ingeniería son herramientas fundamentales. En esos momentos surge
siempre la pregunta: Cuáles son las probabilidades de encontrar irregularidades o "sorpresas"
entre sondeos?
Como ejemplo, asumamos que los sondeos han perforado antiguos materiales de relleno que no
han sido colocados ordenadamente, y contienen trozos de concreto, cartón y fragmentos
metálicos. De dónde vino ese material? Cómo fue colocado allí? Cuándo fue colocado allí? Qué
eventos tuvieron influencia sobre su composición y propiedades físicas? Tendrá selección vertical o
lateral? Estos interrogantes deben plantearse para cada tipo de roca o suelo del perfil del
subsuelo. Afortunadamente, la mayoría de los materiales naturales fueron depositados
sistemáticamente. Los procesos geológicos generalmente explican por qué un material de
cimentación posee ciertas propiedades, el rango probable de variación de esas propiedades, y la
distribución tridimensional de las unidades geológicas significativas en el subsuelo.
Para conocer el terreno será necesario realizar un estudio geotécnico, que nos dé información
sobre el tipo de terreno con que nos vamos a encontrar y su comportamiento. Se observa la zona
de manera aérea, luego topográfica y finalmente se realizan estudios de sectores de mayor
interés.
El objetivo de los reconocimientos geotécnicos es la preparación de las bases necesarias para el
proyecto y ejecución de obras técnica y económicamente correctas.
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5.1.
EXCAVACIONES SUPERFICIALES.
También llamadas a cielo abierto, se realizan para distintas necesidades en obras de ingeniería:
- para apoyo de estructuras.
- canteras (zona de extracción de rocas)
- caminos (desmonte en rocas), etc
Se denomina excavación a plena anchura, al movimiento de tierras general de la superficie
construida, cuya profundidad está limitada, por ejemplo al nivel del suelo de los sótanos o bodegas
de la construcción.
La excavación en zanja es una trinchera cuyo ancho mínimo es de 0,40m y está destinado a alojar
muros, canalizaciones, etc.
La excavación de pozos es un movimiento de tierra de pequeña superficie y gran profundidad. Se
lleva a cabo para establecer por ejemplo las cimentaciones de pilares aislados.
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TALUDES.
“Un talud es toda superficie inclinada respecto a la horizontal que haya de adoptar una
estructura de tierra, bien sea en forma natural o como resultado de una obra de ingeniería”.
Los taludes pueden ser naturales cuando se producen sin la intervención de la mano del hombre
(laderas) y artificiales cuando son hechos por éste (cortes y terraplenes).
El límite de la estabilidad de un terreno, viene dado por el ángulo del talud natural de ese terreno.
Este ángulo, es el de máxima pendiente, (ángulo con la horizontal), que el plano de una pared
excavada de cualquier altura puede mantener indefinidamente, sin que el material tienda a
deslizarse o desmoronarse.
A continuación, incluimos una tabla de inclinaciones y pendientes de los taludes que dependen de
la naturaleza y contenido en agua del terreno.
TIPOS DE FALLA
Los tipos de fallas más frecuentes en los taludes son los siguientes:
1.- Falla por deslizamiento superficial:
Este tipo de falla se produce por la acción de las fuerzas naturales que tienden a hacer que las
partículas y porciones del suelo próximas a su frontera deslicen hacia abajo. Este fenómeno es
más intenso cerca de la superficie inclinada del talud debido a la ausencia de presión normal
confinante.
Este fenómeno se pone de manifiesto por una serie de efectos notables, tales como la inclinación
de los árboles debido al arrastre de las capas superiores del terreno, la inclinación de postes,
movimientos relativos y ruptura de muros, acumulación de suelos en las depresiones y falta de los
mismos en las zonas altas, etc.
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2.- Deslizamiento en laderas naturales sobre superficies de falla preexistentes.
Se trata de un mecanismo de falla que envuelve una cantidad importante de material, por lo que
ya no se trata de un deslizamiento superficial sino de uno más profundo, pudiendo llegar a
producir una verdadera superficie de falla. Este es un tipo de movimiento lento por lo que puede
llegar a ser inadvertido. La mayor parte de este tipo de movimientos está asociado a ciertas
estratigrafías que son favorables a ellos (laderas formadas por depósito de material sobre otras
estratificaciones firmes), al mismo tiempo que a flujos estacionales de agua en el interior de la
ladera, produciendo superficies de falla prácticamente planas.
Los estratos impermeables hacen aflorar las filtraciones en la superficie del talud. Peligro de deslizamiento
y de erosión regresiva.
3.- Falla por movimiento del cuerpo del talud (deslizamiento de tierra).
Este es un tipo de movimiento que se caracteriza por su brusquedad, el cual afecta a masas
considerables de suelo, generando una superficie de falla profunda
4.- Fallas por erosión
Estas son fallas superficiales provocadas por la acción del viento y del agua sobre el talud, siendo
más evidente en aquellos que tienen una pendiente más pronunciada. La falla se manifiesta en
irregularidades, socavaciones y canalizaciones en el plano del talud.
5.- Falla por licuación
Estas fallas ocurren en arcillas extra sensitivas y arenas poco compactas, las cuales, al ser
perturbadas, pasan rápidamente de una condición más o menos estable o una suspensión, con la
pérdida casi-total de la resistencia al esfuerzo cortante. Las dos causas que puede atribuirse esa
pérdida de resistencia son: incremento de los esfuerzos cortantes actuantes y desarrollo de la
presión de poros correspondiente, y por el desarrollo de presiones elevadas en el agua intersticial,
quizás como consecuencia de un sismo, una explosión, etc.
6.- Fallo por falta de capacidad de cargo en el terreno de cimentación
Este tipo de fallo se produce cuando el terreno tiene una capacidad de carga inferior o los cargas
impuestas. Este tipo de folios sucede a menudo en el área metropolitana, debido a que se
construye sobre rellenos no compactados o con un bajo nivel de compactación.
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CAUSAS DE LA INESTABILIDAD
Existen una serie de factores de los cuales depende la estabilidad de los taludes, tales son:
- Ángulo de rozamiento, Granulometría, Consistencia, Humedad, Permeabilidad,
etc.
- Topografía de los alrededores y geometría del talud.
- Estratigrafía, buzamiento y fallas
- Factores climatológicos, (aguas, lluvias, hielos, sequía).
- Vibraciones
MÉTODOS DE ESTABILIZACIÓN DE TALUDES.
Tan pronto se comprueba que hay un riesgo de inestabilidad en un determinado talud, se debe
buscar la mejor solución y considerar aspectos de costo, naturaleza de las obras afectadas (tanto
en la cresta como al pie del talud), tiempo estimado en el que se puede presentar el problema,
disponibilidad de los materiales de construcción, etc.
Existen tres grandes grupos de soluciones para lograr la estabilidad de un talud:
• Aumentar la resistencia del suelo: son las soluciones que aplican drenaje en el suelo para bajar
el nivel freático o la inyección de substancias que aumenten la resistencia del suelo, tales como el
cemento u otro conglomerante
• Disminuir los esfuerzos actuantes en el talud: soluciones tales como el cambio de la geometría
del talud mediante el corte parcial o total de éste a un ángulo menor o la remoción de la cresta
para reducir su altura.
• Aumentar los esfuerzos de confinamiento (σ3) del talud: se puede lograr la estabilización de un
talud mediante obras, como los muros de gravedad, las pantallas atirantadas o las bermas hechas
del mismo suelo.
Métodos para estabilizar un talud: (a) drenaje; (b) cambio de la geometría (Hunt 1984)
Una berma es un espacio llano, cornisa, o barrera elevada que separa dos zonas.
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DRENAJES.
Uno de los problemas máximos de la ingeniería lo constituye la ejecución de excavaciones bajo el
nivel de la capa freática.
Actualmente es fácil poner en obra sistemas de bombeo que pueden agotar casi cualquier caudal.
Sin embargo, y aún aparte del costo de la operación de dichos sistemas, la excavación profunda en
estas condiciones sigue siendo difícil, al menos en determinados terrenos, en los que la forma
excavada, bajo la acción del agua, se vuelve inestable.
Erosión superficial.
Puede producirse en cuanto el agua aflora en los taludes, produciéndose cárcavas que concentran
el flujo, con lo cual aumenta rápidamente. Puede minimizarse este efecto mediante cuentas o
drenes que reciban el agua efectivamente y la conduzcan a puntos de recogida y bombeo.
Es frecuente que estas banquetas se dejen con cunetas sin revestir o con revestimientos
defectuosos, caso en el cual constituyen puntos de infiltración concentrada que inestabiliza el talud.
(punto a en la figura).
Talud con banquetas recogiendo filtraciones y lluvia. Una banqueta sin impermeabilizar produce una
concentración de líneas de corriente muy perjudicial.
Erosión interna.
En otros casos la erosión es interna. Iniciada en un punto, se concentra en él líneas de flujo, lo cual
origina una progresiva tubificación. Esto es, el conducto se forma por las zonas geológicamente
más débiles, por planos de estratificación permeable, o en cualquier otra zona de concentración del
flujo donde la energía llega sin sufrir grandes pérdidas debidas a la fricción. Para evitarlo, pueden
emplearse filtros graduados o bien mallas metálicas o geotextiles.
Progreso de erosión regresiva que conduce a la tubificación.
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Aparte de la lucha contra la erosión, podemos entibar los taludes con una pared impermeable
(tablestacado metálico, pantalla continua de hormigón, etc.).
Sin embargo, con una excavación con los taludes estabilizados, queda un peligro, que es el de la
inestabilidad del fondo. El fondo de la excavación estará muy blando y será difícil el trabajo de
personas y máquinas.
Las filtraciones por el fondo de la excavación pueden conducir al sifonamiento. Disminuyen la resistencia
pasiva de las cuñas cuadriculadas y ponen en peligro la estabilidad de las pantallas.
Frente a esto, el sistema de rebajamiento del nivel freático tiene muchas ventajas. Consiste en
construir un sistema de pozos y bombear a través de ello, consiguiendo así rebajar la capa freática
en una zona determinada por la interferencia de sus conos de depresión.
Esquema de un rebajamiento de nivel freático mediante pozos profundos.
Esquema de un rebajamiento profundo mediante varios escalones de lanzas de drenaje.
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Terraplenes
En cuanto al drenaje, la construcción de un terraplén sobre una ladera afecta, por un lado, a las
aguas superficiales, que se acumularán, de no tomarse medidas oportunas, en la forma que se
indica en la figura, provocando la saturación de su masa. Por otra parte, como se ve además, el
terraplén constituye a modo de un enorme manto de impermeabilización que impide o al menos
dificulta la salida de las aguas al exterior.
Posibles fuentes de alimentación de agua al cuerpo de un terraplén.
Algunos tipos de soluciones:
Siempre hay que dejar perfectamente drenado el contacto del terraplén con la superficie de apoyo.
(Dren longitudinal en borde superior)
Dren longitudinal de intercepción de aguas.
Los drenes horizontales constituyen una solución práctica y eliminan riesgos elevados de costos de
construcción de galerías de drenajes. La incógnita de su permanencia y necesidad de conservación
periódica son, sin embargo, factores a considerar.
Drenes horizontales o californianos.
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SOLUCIONES ESTRUCTURALES.
El objetivo principal de las estructuras de retención es incrementar las fuerzas resistentes de forma
activa (peso propio de la estructura, inclusión de tirantes, etc.) y de forma pasiva al oponer
resistencia ante el movimiento de la masa de suelo.
Entre las soluciones estructurales más usadas se encuentran las siguientes:
• Muros de gravedad y en cantilever:
Muro de gravedad.
Muro en cantilever
• Pantallas:
Consisten de una malla metálica sobre la cual se proyecta concreto (shotcrete) recubriendo toda la
cara del talud. Es común “atirantar” esta corteza de concreto armado mediante anclajes que
atraviesan completamente la superficie de falla para posteriormente ser tensados y ejercer un
empuje activo en dirección opuesta al movimiento de la masa de suelo.
Sección transversal
ANCLAJES
En esencia, son unos elementos que trabajan a tracción, con los que trata de mejorar las
condiciones de equilibrio de una estructura o de un talud, asociando al conjunto el peso de terreno
que los rodea. En un anclaje de distinguen tres partes fundamentales según se indica en la figura
siguiente:
1-Zona de anclaje;
2- Zona libre;
3- Cabeza y placa de apoyo.
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Partes fundamentales de un anclaje.
Por su forma de trabajar, se pueden distinguir:
a) Anclajes pasivos.
Anclaje pasivo es aquel que entra en tracción por sí solo, al aparecer la fuerza exterior y oponerse
la cabeza al movimiento del terreno o de la estructura. Este anclaje debe ser bastante rígido si se
quiere limitar la magnitud del movimiento, llegando en algunos casos, a ejecutarse como
verdaderos pilotes a tracción.
b) Anclajes activos.
Anclaje activo es aquel que, una vez instalado, se pretensa la armadura hasta llegar a su carga
admisible, comprimiendo el terreno comprendido entre la zona de anclaje y la estructura o la placa
de apoyo de la cabeza.
c) Anclajes mixtos.
En el anclaje mixto, la armadura se pretensa con una carga inferior a la admisible, quedando una
parte de su capacidad resistente en reserva para hacer frente a posibles movimientos aleatorios
del terreno.
(1) Arriostramiento de estructuras
de contención.
(2) Absorción de esfuerzos en la
cimentación de estructuras.
(3) Estabilización del terreno.
(4) Refuerzo de estructuras.
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5.2.
EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS.
Diseñar una estructura en roca es mucho más difícil que hacerlo en otro material de construcción
convencional. Una de las principales dificultades proviene que se desconocen las tensiones a las
que las rocas se hallan sometidas y a las fuerzas tectónicas.
La dificultad en obtener información sobre las propiedades mecánicas del macizo rocoso antes de
apertura de la cavidad es otro inconveniente. Los materiales de construcción pueden producirse
de acuerdo con unas especificaciones determinadas, y las estructuras convencionales diseñarse
para utilizar dichos materiales; sin embargo, el diseño de estructuras se ve dificultado por la
escasez información acerca del comportamiento y propiedades del macizo rocoso.
TÚNELES.
Los túneles son obras de muy variada tipología, reflejo tanto de los avances tecnológicos como de
las exigencias cada vez mayores y diversas impuestas a los mismos. Se consideran también como
las obras de mayor dificultad, tanto en el proyecto como en la construcción. Esta dificultad depende
en gran medida de la longitud y sección del túnel, de la naturaleza del terreno y de las condiciones
hidrogeológicas. La escasa cobertura, las obras en zonas urbanas y las conducciones bajo presión
plantean importantes problemas adicionales.
En razón de su utilización se distingue entre túneles viarios (peatonales, de carreteras y ferrocarril),
hidráulicos (incluyendo las galerías de presión, los de abastecimiento, saneamiento, etc.) o de
servicios (galerías de cables, conducciones industriales, etc). Un tipo especial lo constituyen los
túneles de explotaciones mineras.
CALIDAD DEL MACIZO
Se considera que un suelo o roca es blando o duro, según su resistencia a la compresión esté en
los siguientes rangos:
• Suelo blando menos de
4 Kg/cm2
• Suelo duro entre
4 - 10 Kg/cm2
• Roca blanda de
10 a 375 Kg/cm2
• Roca intermedia de
375 a 700 Kg/cm2
• Roca dura más de
700 Kg/cm2
• El concreto corriente es de sólo 210 Kg/cm2
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Figura D. Secciones típicas de túneles.
ESTABILIDAD DEL MACIZO ROCOSO.
Estabilidad general. En un macizo rocoso se evalúa el material rocoso, el sistema de diaclasas,
las condiciones del agua y las condiciones de esfuerzos.
En el material rocoso se evalúa la compresión inconfinada y la resistencia a la tracción utilizando
núcleo de prueba.
En el sistema de diaclasas se evalúan los parámetros señalados de rugosidad, separación
(distancia), abertura (tamaño de bloques), rellenos, orientación (número de familias), persistencia
y continuidad.
En las condiciones del agua se evalúan la cantidad y los efectos del agua. También las
características físicas y químicas de agua, y las modificaciones del caudal en el tiempo pueden
importar.
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En las condiciones de esfuerzos se evalúan, en cantidad, dirección, los cambios en la masa y los
cambios en la carga. Aquí es posible considerar la necesidad de estudios de sismicidad local.
Aptitud de una estructura geológica y la dirección de un túnel. . La falla va con el túnel, B. y D. la falla no
corta el túnel, C. la falla corta transversalmente el túnel, E. y F. el túnel se encuentra en un anticlinal, G. y
H. el túnel cruza un sinclinal. Adaptado de Pedro Hernández, Conceptos de Geología Estructural.
Estabilidad cinemática. Para evaluar la estabilidad de un bloque rígido, previendo una falla de
talud en un macizo rocoso, hay que averiguar rasgos geométricos para ver el tamaño, forma y
disposición de bloques o cuñas de roca, recurriendo a un análisis de estabilidad o inestabilidad
cinemática.
Estabilidad de cuñas de roca. A. talud cinemáticamente estable. B. talud cinemáticamente inestable, C.
bloques formados en las paredes de un túnel. Según Hoek and Brown, Excavaciones subterráneas.
En la sección del túnel, con bloques críticos y potencialmente críticos, estos son bloques que se
pueden caer. En los túneles pueden darse bloques críticos, cuando la geometría de las
discontinuidades los conforme con una actitud desfavorable, propicia al desprendimiento por falta
de confinamiento e inclinación pronunciada. La falla de estos elementos se da en caso de fuerzas
desequilibrantes, pérdida de la resistencia y fricción insuficiente para el apoyo.
El análisis cinemático supone averiguar geométricamente las dimensiones probables del bloque y
su disposición, de acuerdo a la orientación, espaciamiento y persistencia de las discontinuidades
del macizo rocoso, obtenidas de perforaciones y taludes vecinos.
Por otro lado, algunos depósitos de suelo pueden fallar por planos tan débiles que por su forma,
su comportamiento es el de fallas en material rocoso.
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RESUMEN DE LA UNIDAD:
1. La Mecánica de Rocas o de las Rocas puede considerarse como aquella parte de la Geotecnia
que abarca todos los estudios teóricos y experimentales destinados a conocer el comportamiento
mecánico e definir globalmente como la fuerza que une las
hidromecánico de las rocas, al ser sometidas a cambios partículas y minerales) elevada.
en sus estados tensionales y en sus condiciones
hidráulicas.
2.La Mecánica de Rocas no ha de aplicarse a un material teórico, contínuo, isótropo orientación,
buzamiento, separación o e indefinido (ello puede ser, en algún caso, un modelo teórico
circunstancial), sino a un macizo rocoso, con sus disposiciones relativas que ha de definir la
Geología y en que, en cada uno de estos materiales, cabe distinguir:
La roca intacta o matriz, materia prima del material y cuyos fragmentos enteros pueden llevarse al
laboratorio, dado, en general, su tamaño.
La roca masiva o roca "in situ", surcada por fracturas, litoclasas, superficies de estratificación y
otros tipos de discontinuidades, generalmente presentes según familias paralelas a diversas
superficies quasi-planas, que se cortan entre sí, definiendo bloques del material original.
3. La resistencia mecánica de una roca es la propiedad de oponerse a su destrucción frente a una
carga exterior, estática o dinámica. Las rocas oponen una resistencia máxima a la compresión, y
comúnmente la resistencia a la tracción no pasa del 10% al 15% de la resistencia a la compresión.
4. El talud es la pendiente o inclinación dada a las paredes de las tierras para evitar su
desmoronamiento.El límite de la estabilidad de un terreno, viene dado por el ángulo del talud
natural de ese terreno.
5. La excavación de un hueco en el terreno, que se mantiene estable por si sólo o con ayuda de
una entibación o revestimiento, ha servido al hombre para muy diferentes aplicaciones:
Comunicaciones (carretera o ferrocarril), transportes (acueductos), extracción de minerales,
almacenamientos diversos, instalaciones de utilidad industrial, militar, etc.
6. Las rocas pueden ser duras o blandas y las fallas de los macizos se pueden presentar por zonas
de debilidad o de discontinuidad estructural. Las rocas blandas fallan a través del cuerpo de la
masa rocosa y también a través de sus defectos estructurales.
Bibliografía consultada para el resumen de la unidad:
Manual de Ingeniería Geológica -Instituto Tecnológico GeoMinero de España.
Manual de geología para ingenieros – Gonzalo Duque Escobar
Geotecnia y Cimientos III: Cimentaciones, excavaciones y aplicaciones de la geotecnia – José A.
Jimenez Salas.
Mecánica de rocas en la ingeniería Práctica – Stagg/Zienkiewicz
ANOTACIONES: