GRUPO N 51. DISCONTINUIDADES

1.1. INTRODUCCION

Los macizos rocosos en la naturaleza presentan comnmente un elevado nmero de discontinuidades. Por ello si quiere conocer y describir adecuadamente el comportamiento mecnico de los macizos rocosos resulta necesario analizar previamente el comportamiento de las discontinuidades naturales.

El aspecto principal que condiciona el comportamiento mecnico de una discontinuidad natural, como por ejemplo la que se presenta en la fig. 1 en un testigo de sondeo o las que se muestra en la fig. 2 en afloramiento natural, es su resistencia al corte, aunque tambin los parmetros de deformacin, como rigidez cortante y la normal y la dilatancia, puede marcar en parte su comportamiento.

La resistencia a traccin perpendicular a las paredes de una discontinuidad se puede considerar nula. Los factores principales que intervienen en la reaccin de una discontinuidad frente a un esfuerzo cortante son:

a) Las tensiones normales al plano de corteb) La rugosidad de las superficies de contacto c) El grado de alteracin y resistencia de los labios de la discontinuidadd) El espesor y el tipo de rellenoe) La circulacin de agua y grado de saturacin del rellenof) La orientacin del desplazamiento de corteg) La velocidad del movimiento cortanteh) La amplitud del desplazamiento de corte y la existencia de desplazamiento cortantes previos.

1.2. TIPOS DE DISCONTINUIDADES

a. Todo tipo de juntasb. Planos estratificados (dbiles)c. Zonas de contacto d. Fallas e. Diaclasasf. Etc.

1.3. CARACTERISTICAS DE LAS DICONTINUIDADES

a. Orientacin y numero de discontinuidadesb. Frecuencia o espacio de las juntas (distancia entre dos discontinuidades)c. Grado de apertura o separacin (abierto o cerrado)d. Extensin, persistencia, continuidade. Rugosidad o textura superficial (pulida, lisa o rugosa) y relleno (sin o con relleno, tipo de relleno)

1.4. ORIENTACION DE DISCONTINUIDADES

Direccin y buzamiento

1.5. CLASIFICACION DE MACIZOS ROCOSOS POR EL NUMERO DE FAMILIAS DE DISCONTUNUIDADES

a. Masivo, discontinuidades ocasionales (clase I)b. Una familia de discontinuidades (clase II)c. Una familia de discontinuidades mas otras ocasionales (clase III)d. Dos familias de discontinuidades (clase IV)e. Dos familias de discontinuidades mas otras ocasionales (clase V)f. Tres familias de discontinuidades (clase VI)g. Tres familias de discontinuidades mas otras ocasionales (clase VII)h. Cuatro o mas familias de discontinuidades (clase VIII)i. Brechificado (clase IX)

1.6. FRECUENCIA O ESPACIADO

Clasificacin para el espaciado de juntas I.S.R.M (sociedad internacional de mecnica de rocas).

DESCRIPCION ESPACIAMIENTOCONDICION DE MACIZO

Muy separadas>2 m Solido

Separadas0.6 2 mMasivo

Media separadas0.2 0.6 mCon bloques/estratos

Prximos0.06 0.2 mFracturado

Muy prximos>0.06 mMuy fracturado

1.7. GRADO DE APERTURA DE LAS DISCONTINUIDADES

a. Muy cerradas (d < 0.1 mm)b. Cerradas (0.1 < d < 0.25 mm)c. Parcialmente abiertas (0.25 < d < 0.5 mm)d. Abiertas (0.5 < d < 2.5 mm)e. Moderadamente ancha (2.5 < d < 10 mm)f. Muy ancha (1 < d < 10 cm)g. Extremadamente ancha (10 < d < 100 cm)

2. EFECTO DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS SOBRE LAS PROPIEDADES DE LOS MACIZOS ROCOSOS

2.1. INTRODUCCION

El comportamiento mecnico de un macizo rocoso en el que se realizan labores mineras se ve seriamente afectado por la presencia de agua, pues disminuye la resistencia de las rocas a la rotura (la roca es ms fcilmente deformable) y facilita el desplazamiento de unos bloques con respecto a otros segn direcciones paralelas a los planos de rotura, al actuar como lubricante.En los movimientos en masa de cuerpos rocosos, la presencia de agua juega un papel esencial y hace que se produzcan verdaderos colapsos cuasi sbitos en el macizo rocoso, con desplazamientos horizontales y verticales de gran envergadura, lo que afecta no solo a la poblacin, al medio ambiente, a las infraestructuras, etc., sino tambin, y de manera muy importante, a las labores mineras.

Generalmente el agua es omnipresente en un macizo rocoso, por lo que para controlar su accin en las labores mineras hay que conocer el origen (superficial, subterrneo, intersticial, capilar, etc.), la interrelacin agua superficial agua subterrnea, la distribucin de zonas de humedad en el macizo, el movimiento (flujo), la interaccin con la roca (mecanismos de precipitacin, disolucin, etc.), el volumen almacenado (para calcular y dimensionar obras de drenaje), e incluso la composicin puesto que afecta a las infraestructuras mineras (aguas cidas, por ejemplo, respecto a elementos metlicos de contencin o de transporte en galeras).

Las propiedades geomecnicas del macizo rocoso son muy importantes en la estabilidad de las labores a cielo abierto y subterrneas. La presencia de agua en los huecos de la roca (poros y/o fisuras) modifica el comportamiento geomecnico al alterar la estabilidad y facilitar el movimiento de las masas rocosas; Papel esencial juegan las discontinuidades estructurales (diaclasas, fallas, esquistosidad, juntas, planos de estratificacin; Foto 1) al ser planos de debilidad del macizo que facilitan el almacenamiento y la circulacin del agua, que acta como lubricante facilitando y acelerando el movimiento de bloques. Muy importante es la conexin hidrulica entre el agua subterrnea y el agua superficial en la zona de recarga, pues aumenta el flujo de agua capaz de provocar erosin y disolucin de materiales.

2.2. EL AGUA EN EL MACIZO ROCOSO

La trama del macizo rocoso es el armazn o soporte del agua y condiciona su comportamiento hidrulico, por lo que hay que conocerla y conocer tambin las categoras de agua presentes, su distribucin en diferentes zonas de humedad y las propiedades hidrulicas del macizo.

La presencia y movimiento de agua en el suelo y subsuelo es slo uno de los caminos por los que puede discurrir el agua dentro del ciclo hidrolgico.

El agua penetra en el macizo rocoso por infiltracin de la lluvia, o por el lecho de un ro o lago que se encuentre por encima del nivel fretico. Son las zonas de recarga o niveles energticos ms altos, para las aguas subterrneas. A partir de ah, el agua circula en profundidad y por infiltracin eficaz recarga a los acuferos y circula por ellos. Las aguas se desplazan por el acufero desde los niveles energticos ms altos (recarga) a los puntos ms bajos (descarga). Estas zonas de descarga pueden ser ros o lagos por debajo del nivel fretico, manantiales, el mar, etc. La energa necesaria para el movimiento del agua subterrnea procede esencialmente de las diferencias de nivel topogrfico y de la presin hidrulica.

La escorrenta superficial (en ros) y subterrnea (en acuferos) est estrechamente unida, tal como se muestra en las diversas situaciones ilustradas en la Figura 3. Por ejemplo un ro puede actuar de zona de recarga en un tramo de su cauce y de descarga en otro, pasando de ser un ro perdedor (ro influente) en el primer caso a ser un ro ganador (ro efluente) en el segundo.

En cuanto a permeabilidad hay que decir que la mayora de los macizos de rocas compactas (rocas duras) seran casi absolutamente impermeables si no estuviesen fracturados, aunque la importancia relativa de la permeabilidad por fisuras puede verse muy disminuida en ocasiones si es que la roca fracturada posee al mismo tiempo una permeabilidad primaria importante (caso, por ejemplo, de areniscas porosas fisuradas); en este caso las fisuras actan de colectores no slo del agua que contienen, sino de la que es cedida por las paredes de las fisuras.

El movimiento del agua en los terrenos fracturados depende de una serie de factores:

- Tipo de fracturas- Frecuencia de las fracturas- Anchura de las fracturas- Orientacin en el espacio de los planos de fracturas

La permeabilidad del material acufero viene muy influida por estos factores, y por la presencia o no de rellenos impermeables o poco permeables (como se dijo anteriormente). Las fracturas son superficies de rotura (que en numerosos clculos es posible asimilar a planos) de paredes ms o menos rugosas y con una cierta anchura media. Aunque no es raro encontrar fracturas de hasta 20 cm de anchura (y a veces ms), lo normal es que no pasen de algunos cm (2-5). Las ms frecuentes son las anchuras milimtricas, a las que se les llama fisuras.A diferencia de lo que sucede en los terrenos muelles, en los acuferos en rocas fracturadas existen superficies piezomtricas virtuales debido a la interconexin de fracturas cada una de las cuales posee un nivel piezomtrico propio (Figura 43).Al igual que suceda en aquellos, se distinguen tambin una zona saturada y una zona no saturada. El movimiento del agua es complejo pero siempre es por la red de grietas interconectadas y a favor de diferencias de carga hidrulica o presin piezomtrica.

El flujo en las fracturas estrechas suele ser laminar por lo que es aplicable la ley de Darcy (Q= A.v.i). En estos casos, la superficie piezomtrica es representativa de la energa potencial del agua. En cambio, en las fracturas que poseen una anchura importante el flujo es casi siempre turbulento pues al existir un desage acusado la velocidad del flujo es elevada, superndose fcilmente el valor de la velocidad crtica inferior. En estos casos no es aplicable la ley de Darcy pues es preciso tener en cuenta la energa cintica debida a la velocidad del agua.

En las fracturas de anchura muy pequea (algunas decenas de micras o menos) el flujo del agua es muy difcil bajo gradientes hidrulicos comunes. Autores como Davis (Davis y De Wiest, 1966) indican que el movimiento existe tambin en estas condiciones y que est inducido por efectos de la marea terrestre (ascenso y descenso del terreno), lo cual crea un efecto de bombeo pulsatorio.

2.3. EFECTOS DEL AGUA SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL MACIZO ROCOSO EN LABORES MINERAS

La diversidad de macizos rocosos en los que se desenvuelven las labores mineras a cielo abierto y subterrneas, hace que se tengan que resolver numerosas situaciones para resolver condiciones geomecnicas que condicionan los proyectos mineros. Entre los problemas principales a resolver (influencia de la litologa y estructura geolgica, riesgos geolgicos, medioambiente, etc.) se encuentran los relacionados con la presencia de agua, pues es uno de los factores que ms incidencia tiene en el comportamiento mecnico de los materiales.

El agua del macizo rocoso reduce su resistencia, genera presiones intersticiales en su interior y altera sus propiedades geomecnicas, dificultando las excavaciones superficiales y subterrneas y poniendo en peligro la estabilidad del macizo. Por ello, las propiedades del macizo rocoso deben evaluarse teniendo en cuenta las condiciones del agua subterrnea (Figura 48), y para evaluar su incidencia deben estudiarse esencialmente las propiedades relacionadas con la permeabilidad y con el flujo.

En los que hay numerosas referencias a la hidrulica del macizo rocoso y a su comportamiento frente a las labores mineras.Los temas de inters se clasifican de la siguiente forma (por orden de prioridad):

- El agua en el comportamiento de las excavaciones- Trabajos subterrneos bajo el nivel piezomtrico- Drenaje y achique del agua- Agresividad y ataque qumico del agua de mina- Reutilizacin del agua- Trabajos especiales de impermeabilizacin- Aporte de aguas superficiales- Irrupciones acuferas bruscas- Desage de minas abandonadas- Eliminacin subterrnea de aguas residuales- Problemas del agua en las explotaciones de sal- Explotacin por lixiviacinToda esta problemtica deriva de:- dificultades para trabajar bajo el nivel piezomtrico- comportamiento de las explotaciones como "receptores y acumuladores" de agua- necesidad de eliminar pronto las agua acumuladas en las explotaciones mineras

Por tanto, parece evidente la justificacin de realizar estudios hidrogeolgicos desde el inicio de los trabajos de reconocimiento minero. Estos estudios se apoyan en una serie de tcnicas:

a) Prospeccin geofsicab) Sondeos de investigacin, utilizables para:

Reconocer la hidrologa y geometra del acufero Realizar ensayos dimensionales para determinar la k Emplear trazadores para conocer la direccin del aguac) Red de piezmetros para controlar la evolucin de niveles durante y despus de la construccin del pozod) Sondeos de captacin, utilizados primero para realizar ensayos de bombeo y luego para drenaje.

3. CLASIFICACION DEL MACIZO ROCOSO

a. Dan idea preliminar de la calidad del macizo rocoso y su variabilidad. b. Desarrollados para estimar soportes en tneles con bases empricas.c. Uso para etapas tempranas del proyecto.d. Check list de las variables involucradas en el problema.e. No remplazan mtodos ms detallados y especficos de diseo.

3.1. DESCRIPCCION DEL MACIZO ROCOSO, CATEGORIAS

a. ROCA INTACTA: Sin diaclasas, rotura por roca intacta, descascaramiento luego de las voladuras.

b. ESTRATIFICADA: Estrato con baja resistencia en los lmites.

c. MODERADAMENTE FISURADA: Los bloques entra diaclasas intertrabados. No requiere sostenimiento lateral.

d. FRAGMENTADA Y FISURADA: Bloques mal intertrabados. Sosteniminento en paredes.

e. TRITURADA: Fragmentos pequeos, tamao de arena.

f. DESCOMPUESTA: Porcentaje alto de partculas arcillosas.

g. ROCA con HINCHAMIENTO: Minerales arcillosos (montmorillonita) con capacidad de hinchamiento.

4. CONDICIONES GEOMECANICAS

4.1. INTRODUCCION

La roca se puede definir como agregados o conjunto de una o varias sustancias minerales que forman macizos, que ocupan grandes extensiones de la corteza terrestre o lo que es lo mismo, que son principalmente elemento constructivo de la litosfera.

El ciclo geoqumico de las rocas, representado de forma indicativa en la fig. parte de la formacin de la corteza rocosa; los materiales fluidos procedentes de zonas profundas han seguido y siguen actualmente su camino de ascenso a la superficie terrestre. Estos materiales, que consisten en una masa rocosa fluida, en la que pueden coexistir fases solidas, liquidas y gaseosas, se denominan magmas.

5. CLASIFICACION GEOMECANICA DE LA MASA ROCOSA

5.1. INTRODUCCION

Desarrollado por Bieniawski, (1989) constituye un sistema de clasificacin de macizos rocosos que permite a su vez relacionar ndices de calidad con parmetros de diseo y de sostenimiento de tneles.El parmetro que define la clasificacin es el denominado ndice RMR ( ROCK MASS RATING ), que indica la calidad del macizo rocoso en cada dominio estructural a partir de los siguientes parmetros:

a. Resistencia a la compresin simple de la matriz rocosab. R.Q.D. Grado de fracturacin del macizo rocosoc. Espaciado de las discontinuidadesd. Condiciones de las discontinuidades, el cual consiste en considerar los siguientes parmetros:

Abertura de las caras de la discontinuidad Continuidad o persistencia de la discontinuidad Rugosidad Alteracin de la discontinuidad Relleno de las discontinuidadese. Presencia del Agua, en un macizo rocoso, el agua tiene gran influencia sobre su comportamiento, la descripcin utilizada para este criterio son: completamente seco, hmedo, agua a presin moderada y agua a presin fuerte.f. Orientacin de las discontinuidadesPara obtener el ndice RMR de Bieniawski se realiza lo siguiente:a. Se suma los 5 variables o parmetros calculados, eso da como resultado un valor ndice (RMR bsico).b. El parmetro 6 que se refiere a la orientacin de las discontinuidades respecto a la excavacin.El valor del RMR vara entre 0 a 100.

5.2. CRITERIO RMR DE BIENIAWSKI

5.2.1. 1MER PARAMETRO: RESISTENCIA DE LA ROCA SANA

Resistencia de algunas rocas sanas en (MPa)

Grfico para calcular el parmetro de Resistencia a la CompresinSimple.

5.2.2. 2DO PARAMETRO: CALCULO DEL R.Q.D

La calidad de roca R.Q.D se puede determinar:

a. Trozos de rocas testigos mayores de 10cm recuperados en sondeos.b. Nmero total de discontinuidades que interceptan una unidad de volumen (1m3) del macizo rocoso, definido mediante el parmetro Jv.c. Tericamente a partir de la densidad de las discontinuidades o frecuencia de las discontinuidades ( ) por Hudson, 1989.Para el primer caso se utiliza la primera formula:

Para el segundo caso se utiliza la siguiente formula:

Para el tercer caso se utiliza la siguiente formula:

El valor obtenido en las formulas A, B o C son comparados con la siguiente tabla:

Asimismo, se puede buscar la valoracin para el RQD, a partir del siguiente grafico:

5.2.3. 3CER PARAMETRO: SEPARACION DE LAS DISCONTINUIDADES

La separacin o el espaciamiento de las discontinuidades esta clasificada segn la tabla que a continuacin se observa:

Para calcular el rango se utiliza el siguiente grafico:

5.2.4. 4TO PARAMETRO: CONDICIONES DE LAS DISCONTINUIDADES

Aberturas de las discontinuidades.

Continuidad o persistencia de las discontinuidades.

Rugosidad de las discontinuidades.

Relleno de las discontinuidades.

Alteracin de las discontinuidades.

5.2.5. 5TO PARAMETRO:LA PRESENCIA DEL AGUA

Para calcular la valoracin segn la presencia del agua se toma como referencia la tabla que a continuacin se especifica.

5.2.6. 6TO PARAMETRO:ORIENTACION DE LAS DISCONTINUIDADES

Para la valoracin de este parmetro se debe clasificar la roca de acuerdo al rumbo y buzamiento con respecto a la obra civil que se va a ejecutar, esta clasificacin se especifica a continuacin:

Tabla de clasificacin para la determinacin de los buzamientos con respecto al efecto relativo con relacin al eje de la obra.

Valoracin para Tneles y Minas.

Valoracin para Fundaciones.

Valoracin para Taludes.

Calidad del macizo rocoso con relacin al ndice RMR

Gua para la excavacin y soporte en tneles y obras de ingeniera donde la condicin de la roca es: