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  • 02/10/2009

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    Universidad Michoacana de San Nicols de Hidalgo

    Facultad de Ingeniera Civil

    Propiedades de la matriz rocosa

    Mecnica de rocas

    Dr. Eleazar Arreygue Rocha

    Introduccin

    La gran variabilidad de las caractersticas y propiedades fsicas y mecnicasse refleja tanto a escala de matriz rocosa como de macizo rocoso fracturado.

    La diferente composicin qumica de los agregados heterogneos de cristalesy partculas amorfas que forman las rocas representa la escala ms pequeaen el estudio de la variabilidad de las propiedades; as una arenisca puedeestar cementada por slice o por calcita, un granito puede contener cantidadesvariables de cuarzo, etc.

    La fbrica o petrofbrica de las rocas, consecuencia de su gnesis, presentadirecciones preferenciales de anisotropa por orientacin de cristales ygranos, o planos de foliacin; los poros, microfisuras, recristalizaciones, etc.,imprimen un carcter discontinuo y no lineal, y la desigual distribucin de losminerales y componentes rocosos configura un medio heterogneo.

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    Introduccin

    En las propiedades y en el comportamiento mecnico de los macizos rocososcompetentes influye el grado de fracturacin y de meteorizacin, la presenciade agua, la orientacin y tipo de discontinuidades, el tamao de los bloques,etc.

    La importancia de las discontinuidades, como son los planos deestratificacin, diaclasas, fallas, etc., ser tambin relativa en funcin de laescala de trabajo.

    Si el efecto de las discontinuidades sobre el comportamiento del macizo no esimportante, o si es pequeo con respecto a la escala de la obra o estructuraconsiderada, el medio puede ser considerado continuo, pero si lasdimensiones de los planos o zonas de debilidad afectan al comportamientodel macizo en el mbito considerado.

    Introduccin

    Las propiedades denominadas propiedades ndice, sern las que determinenen primera instancia, junto con la composicin mineralgica y la fbrica, laspropiedades y el comportamiento mecnico de la matriz rocosa.

    El estudio petrofsico de la matriz rocosa permite interpretar sus propiedadesfsicas en funcin de sus componentes y caractersticas petrogrficas (poros yfisuras, uniones intergranulares, anisotropas, minerales, composicinqumica, etc.), mediante la descripcin de parmetros petrogrficos yprocedimientos especficos para su evaluacin.

    Existen una serie de parmetros que se emplean para la identificacin ydescripcin cuantitativa de las propiedades bsicas de las rocas y permiten,as mismo, establecer una primera clasificacin con fines geotcnicos.

    La descripcin geolgica de la roca incluye su nombre, mineraloga, textura,tipo de cementacin y grado de alteracin.

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    Introduccin

    Propiedades Mtodos de determinacin

    Composicin mineralgica. Fbrica y textura. Tamao de grano. Color.

    Descripcin visual. Microscopia ptica y electrnica. Difraccin de rayos X.

    P id d

    Propiedades ndice

    Porosidad

    Tcnicas de laboratorioPeso especfico

    Contenido de humedad

    Permeabilidad (coef. de permeabilidad) Ensayo de permeabilidad.

    Durabilidad. Alterabilidad (ndice de alterabilidad).

    Ensayos de alterabilidad.

    Resistencia a compresinEnsayos de compresin uniaxial. Ensayo de carga puntual. Martillo de Schmidt

    Propiedades mecnicas

    Schmidt.

    Resistencia a traccin Ensayo de traccin directa. Ensayo de traccin indirecta.

    Velocidad de ondas snicas Medida de velocidad de ondas elsticas en laboratorio.

    Resistencia (cohesin y friccin) Ensayo de compresin triaxial.

    Deformabilidad (mdulos de deformacin elstica estticos o dinmicos).

    Ensayo de compresin uniaxial. Ensayo de velocidad snica.

    Propiedades ndice de las rocas

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    Propiedades ndice de las rocas

    La descripcin petrogrfica se realiza mediante la observacin macroscpicade las muestras y el anlisis microscpico, necesario para conocer lacomposicin, textura, grado de alteracin, microfracturacin, porosidad, etc.Mediante el anlisis de lminas delgadas, microscopa ptica y electrnica yel empleo de tcnicas de difraccin de rayos X.

    Las propiedades fsicas o propiedades ndice de las rocas se determinan enlaboratorio; las ms importantes del comportamiento mecnico son laporosidad, el peso especfico, la permeabilidad, la alterabilidad, la resistencia

    l l id d d i d l d iy la velocidad de propagacin de las ondas snicas.

    Algunas de estas propiedades, adems de servir para su clasificacin, estndirectamente relacionadas con las caractersticas resistentes ydeformacionales de las rocas.

    Propiedades ndice de las rocas

    La porosidad puede variar entre el 0 y el 90%, con valores normales entre 15y 30%. Las rocas sedimentarias carbonatadas y las rocas volcnicas puedenpresentar valores elevados de porosidad al igual que las rocas meteorizadaspresentar valores elevados de porosidad, al igual que las rocas meteorizadaso alteradas.

    La porosidad eficaz es la relacin entre el volumen

    ne = (Wsat Wseco) / (w * V)

    E l f t l t i t t d lEn las rocas es frecuente que los poros no estn interconectados, por lo quela porosidad real ser mayor que la eficaz.

    El ndice de poros se define como la relacin entre el volumen ocupado porlos huecos, Vv, y el volumen ocupado por las partculas slidas, Vsol:

    e = Vv / Vsol

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    Propiedades ndice de las rocas

    El peso especfico o peso unitario de la roca depende de sus componentes,y se define como el peso por unidad de volumen. Sus unidades son las defuerza por volumen.

    En general se considera el mismo valor para el peso especfico y para ladensidad, ( = masa/volumen), por lo que en ocasiones en la geotecnia seutiliza como densidad, aunque se est haciendo referencia al peso especfico(al trabajar con el peso debe quedar claro que se trabaja con unidades defuerza y no de masa). As

    = *g = 1 g /cm3 * 980 cm/s2 = 980 dinas/cm3 = 1 gf /cm3 = *g = 1 gmasa/cm3 * 980 cm/s2 = 980 dinas/cm3 = 1 gfuerza/cm3

    = 1.000 kg/m3 * 9.8 m/s2 = 9.800 N/m3 = 1.000 kp/m3Las rocas a diferencia de los suelos, presentan una gran variacin de valoresde peso especfico.

    Propiedades ndice de las rocas

    Roca Peso especfico (g/cm3) Porosidad (%)

    Andesita 2.2 2.35 10 15

    Anfibolita 2.9 3.0 -

    Arenisca 2.3 2.6 5 12

    Basalto 2.7 2.9 0.1 2

    Propiedades ndice de la matriz rocosa

    Caliza 2.3 2.6 5 20

    Carbn 1.0 2.0 10

    Cuarcita 2.6 2.7 0.1 0.5

    Creta 1.7 2.3 30

    Diabasa 2.9 0.1

    Diorita 2.7 2.85 -

    Doloma 2.5 2.6 0.5 10

    Esquisto 2.5 2.8 3

    Gabro 3.0 3.1 0.1 0.2

    Gneiss 2 7 3 0 0 5 1 5Gneiss 2.7 3.0 0.5 1.5

    Granito 2.6 2.7 0.5 1.5

    Grauvaca 2.8 3

    Mrmol 2.6 2.8 0.3 2

    Lutita 2.2 2.6 2 15

    Pizarra 2.5 2.7 0.1 - 1

    Riolita 2.4 2.6 4 - 6

    Toba 1.9 2.3 14 - 40

    Yeso 2.3 5

    Goodman (1989), Rahn (1986), Waltham (1999), Farmer (1968).

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    Propiedades ndice de las rocas

    La permeabilidad es la capacidad de transmitir agua de una roca. La mayorade las rocas presentan permeabilidades bajas o muy bajas. La filtracin y elflujo del agua a travs de la matriz rocosa se produce a favor de los poros yfisuras, dependiendo la permeabilidad de la interconexin entre ellos y deotros factores como el grado de meteorizacin, la anisotropa o el estado deesfuerzos a que est sometido el material.

    La permeabilidad de una roca se mide por el coeficiente de permeabilidad ode conductividad hidrulica k que se expresa en m/s, cm/s o m/da:

    k = K (w / )

    donde k es la permeabilidad, w peso especfico del agua y es la viscosidad delagua.

    Propiedades ndice de las rocas

    Puede considerarse que en la mayora

    Roca k (m/s)

    Arenisca 10-5 10-10

    Caliza y doloma 10-6 10-12

    Esquisto 10-7 10-8

    Pizarra 10-11 10-13

    Granito 10-9 10-12

    Lutita 10-9 10-13

    de las rocas a nivel de matriz rocosa,el flujo sigue la ley de Darcy:

    qx = k(dh/dx)A

    siendo:

    qx el caudal en la direccin x (volumen/tiempo)

    Valores tpicos de permeabilidad de la matriz rocosa

    Rocas metamrficas 10-9 10-12

    Rocas volcnicas 10-7 10-12

    Sal < 10-11 10-13

    (volumen/tiempo),

    h la altura hidrulica,

    A la seccin normal a la direccin x,

    k la conductividad hidrulica

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    Propiedades ndice de las rocas

    La durabilidad es la resistencia que la roca presenta ante los procesos dealteracin y desintegracin, propiedad a la que tambin se alude comoalterabilidad, definindose en este caso como la tendencia a la rotura de loscomponentes o de las estructuras de la roca.

    Diversos procesos como la hidratacin, disolucin, oxidacin, etc., cambianlas propiedades del material rocoso.

    E d t i d ti d l l i l tti iEn determinados tipos de rocas, como las volcnicas, lutticas o pizarras, concontenidos importantes de minerales arcillosos, la exposicin al aire o lapresencia de agua degradan de una forma muy importante las propiedadesresistentes, de tal forma que stas pueden ser sobrevaloradas para usosingenieriles como excavaciones superficiales, tneles, terraplenes, etc.

    Propiedades ndice de las rocas

    La durabilidad de la roca aumenta con la densidad y se reduce con elcontenido de agua.

    Durabilidad % peso retenido despus de 2 ciclos

    Muy alta > 98

    Alta 95 98

    Media alta 85 95

    Media 60 85

    B j 30 60Baja 30 60

    Muy baja < 30

    Equipo para la prueba de sequedad humedad desmoronamiento SDT.

    Clasificacin de la durabilidad en base al ndice Ip2.

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    Propiedades ndice de las rocas

    Clasificacin de l