Trabajo Discontinuidades

23
PROPIEDADES MECANICAS DE LAS DISCONTINUIDADES Influencia en el comportamiento del macizo rocoso: Las superficies o planos de discontinuidad de los macizos rocosos condicionan de una forma definitiva sus propiedades Y comportamiento resistente, deformación al e hidráulico. Las discontinuidades imprimen un carácter discontinuo Y anisótropo a los macizos, haciéndolos más deformables Y débiles, lo que supone una gran dificultad para evaluar el comportamiento mecánico de los mismos frente a las obras de ingeniería. Las discontinuidades representan planos referentes de alteración, meteorización y fractura, Y permiten el flujo de agua .Su re conocimiento, descripción Y caracterización es fundamental para el estudio del comportamiento mecánico e hidrogeológico del macizo rocoso. La estabilidad de las excavaciones y de las cimentaciones en Toca, por ejemplo, depende de la orientación y de la resistencia de las discontinuidades. Las Figuras 3.3 y 3.68 presentan diferentes ejemplos de la influencia de las discontinuidades en las obras de ingeniería. La orientación: Relativa de las discontinuidad es con respecto a una instalación u obra de ingeniería (excavación, cimentación, etc.) puede suponer que el terreno sea o no estable, como se refleja en la Figura 3.68. En el caso de excavaciones en superficie, para una misma configuración del macizo rocoso, la estabilidad del talud depende de su orientación con respecto a las discontinuidades; en una presa de bóveda, la presencia de discontinuidades paralelas a la dirección de la resultante de las fuerzas que transmiten la presa y el agua puede dar lugar a problemas de estabilidad; en el caso de un túnel, las discontinuidades con dirección paralela a su eje y con buzamientos elevados son igualmente desfavorables. La importancia de la orientación aumenta si se dan otras

description

DISCONTINUIDADES

Transcript of Trabajo Discontinuidades

5 Resistencia al corte de discontinuidades

PROPIEDADES MECANICAS DE LAS DISCONTINUIDADESInfluencia en el comportamiento del macizo rocoso:Las superficies o planos de discontinuidad de los macizos rocosos condicionan de una forma definitiva sus propiedades Y comportamiento resistente, deformacin al e hidrulico. Las discontinuidades imprimen un carcter discontinuo Y anistropo a los macizos, hacindolos ms deformables Y dbiles, lo que supone una gran dificultad para evaluar el comportamiento mecnico de los mismos frente a las obras de ingeniera. Las discontinuidades representan planos referentes de alteracin, meteorizacin y fractura, Y permiten el flujo de agua .Su re conocimiento, descripcin Y caracterizacin es fundamental para el estudio del comportamiento mecnico e hidrogeolgico del macizo rocoso. La estabilidad de las excavaciones y de las cimentaciones en Toca, por ejemplo, depende de la orientacin y de la resistencia de las discontinuidades. Las Figuras 3.3 y 3.68 presentan diferentes ejemplos de la influencia de las discontinuidades en las obras de ingeniera.

La orientacin:

Relativa de las discontinuidad es con respecto a una instalacin u obra de ingeniera (excavacin, cimentacin, etc.) puede suponer que el terreno sea o no estable, como se refleja en la Figura 3.68. En el caso de excavaciones en superficie, para una misma configuracin del macizo rocoso, la estabilidad del talud depende de su orientacin con respecto a las discontinuidades; en una presa de bveda, la presencia de discontinuidades paralelas a la direccin de la resultante de las fuerzas que transmiten la presa y el agua puede dar lugar a problemas de estabilidad; en el caso de un tnel, las discontinuidades con direccin paralela a su eje y con buzamientos elevados son igualmente desfavorables. La importancia de la orientacin aumenta si se dan otras caractersticas, como un nmero importante de juntas, espaciados peque- os, bajos ngulos de rozamiento, etc.

La presencia de diversas familias de discontinuidad des con diferente orientacin define el grado de fracturacin del macizo rocoso, la forma y el tamao de los bloques de matriz rocosa.

La resistencia al corte:

De las discontinuidades es el aspecto ms importante en la determinacin de la resistencia de los macizos rocosos duros fracturados, y para su estimacin es necesario describir las caractersticas fsicas y geomtricas de los planos, ya que no siempre es posible determinarla adecuadamente en ensayos de laboratorio o de campo.

Las discontinuidades se presentan agrupadas en familias .que se caracterizan por sus valores medios representativos de orientacin y caractersticas fsicas y resistentes. Las discontinuidades de una misma familia son paralelas o subparalelas entre s (Figura 3.69). En ocasiones, aparecen macro discontinuidades o discontinuidades singulares que atraviesan todo el macizo, por encima de las diferentes familias, cuyo estudio debe ser abordado de forma individual. Tipos de discontinuidades:El trmino discontinuidad hace referencia a cualquier plano de separacin en el macizo rocoso, pudiendo tener origen sedimentario, como las superficies de estratificacin o laminacin, diagentico o tectnico, como las diaclasas o las fallas. En el Cuadro 3.17 se han agrupado los diferentes tipos de discontinuidades en sistemticas, cuando aparecen en familias, Y singulares, cuando aparece un nico plano que atraviesa el macizo rocoso; estos ltimos suelen ser ms continuos y persistentes que las discontinuidades sistemticas, pudiendo llegar, en el caso de las fallas, a dimensiones de varios kilmetros. Mientras que las familias quedan caracterizadas por la orientacin estadstica referida a una, orientacin media y por sus caractersticas generales, las discontinuidades singulares requieren una descripcin Y un tratamiento individualizado. Pueden llegar a controlar el comportamiento mecnico del macizo por encima de la influencia de las discontinuidades sistemticas.

Las diaclasas o juntas; son los planos de discontinuidad ms frecuentes en los macizos rocosos, Y corresponden a superficies de fracturacin o rotura de la roca a favor de las cuales no ha habido desplazamiento o ha sido muy pequeo. Afectan a cualquier tipo de roca. Atendiendo a su origen se distinguen varios tipos:

_Diaclasas de origen tectnico; asociadas a plegamientos Y a fallas. En el primer caso presen~ tan una disposicin caracterstica. Las diac1asas asociadas a fallas se disponen paralelamente a la superficie de falla y con una frecuencia que disminuye al aumentar la distancia a la misma.

_Diaclasas en rocas gneas; formadas por contraccin durante o despus del emplazamiento del cuerpo gneo. Presentan una disposicin caracterstica en tres familias ortogonales entre s.

Un ejemplo de juntas de contraccin por enfra miento corresponde a las que se forman en las lavas baslticas, dando lugar a la disyuncin columnar

_ Diaclasas de relajacin; debidas a una reduccin de la carga litosttica. Se disponen subparalelamente a la superficie topogrfica Y su frecuencia disminuye en profundidad

.Los planos de estratificacin: son las superficies que limitan los estratos en las rocas sedimentarias, Se trata de discontinuidades sistemticas con una continuidad elevada, Y cuyo espaciado oscila generalmente entre unos pocos centmetros Y varios metros.

.Las superficies de laminacin: son discontinuidades sistemticas que aparecen en las rocas sedimentarias. Correspondiendo a los planos que limitan las lminas o los niveles megascpicos ms pequeos de una secuencia sedimentaria. Estas superficies adquieren mayor importancia en las rocas de grano fino, y se caracterizan por un espaciado muy reducido, de orden milimtrico o centimtrico.

Los planos de esquistosidad; de origen tectnico, aparecen en rocas que han sufrido una deformacin importante, disponindose perpendicularmente a la direccin compresiva del mximo acortamiento. Estas discontinuidades sistemticas se desarrollan mejor cuanto ms pequeo es el grano de la roca, presentan una frecuencia alta y espaciados de orden milimtrico

Las superficies de contacto litolgico son planos singulares de separacin entre diferentes litologas de un macizo rocoso. En el caso de las rocas sedimentarias tienen menor significacin con respecto al comportamiento del macizo en su conjunto, incluyndose en las superficies de estratificacin. Sin embargo en las rocas gneas tienen gran importancia., sobre todo en el caso de los diques y de las rocas filomanas.

Las fallas son discontinuidades singulares que corresponden a planos de rotura o fracturacin con desplazamiento relativo entre los bloques (Figura 3.76). La extensin de las fallas puede variar entre algunos metros y centenares de kilmetros. pueden llevar asociadas zonas de debilidad denominadas zonas de fallas o brechas ,en la que en ocasiones no se puede distinguir un plano neto de rotura.

t = juntas de tensin en la charnela del pliegue

s = juntas en direccin

d = juntas en buzarniento

o = juntas oblicuas

_ Familias de diaclasas asociadas a pliegues (Blyth y de Freitas. 1984).

Caractersticas de las discontinuidades

En la descripcin de las diferentes familias de discontinuidades en un macizo rocoso se incluyen las siguientes caractersticas y parmetros geomtricos: orientacin, espaciado, continuidad o persistencia, rugosidad, abertura, relleno, filtraciones Y resistencia de las paredes, Algunos de ellos, como la rugosidad, abertura, relleno Y resistencia de las paredes, determinan el comportamiento mecnico Y la resistencia de los planos de discontinuidad,

La descripcin y medida de estos parmetros se realiza en campo, para la valoracin de los diferentes factores, completando 10 que se describe a continuacin:

La orientacin; de una discontinuidad en el espacio queda definida por su buzamiento Y por su direccin de buzamiento. La determinacin de la orientacin media de cada familia se establece a partir de valores estadsticos representativos. La representacin grfica de las discontinuidades o de su orientacin permite una visin general de la geometra de los conjuntos rocosos. Los bloques diagrama representan tridimensionalmente la distribucin de los planos, Y se puede visualizar de una forma sencilla la orientacin de la fracturacin con respecto a una obra o estructura (Fi gura 3.77).

Representacin de las familias de discontinuidades mediante un bloque diagrama(ISMR,1981)

La orientacin generalmente no puede determinarse en sondeos, siendo necesarias tcnicas especiales, utilizadas de forma muy ocasional.

.El espaciado; es la distancia media perpendicular entre los planos de discontinuidad de una misma familia. Influye en el comportamiento global de macizo rocoso y define el tamao de los bloques de matriz ro~ cosa que forman las diferentes familias. Si los espacia~ dos son pequeos, la resistencia del macizo rocoso disminuye de forma considerable, pudiendo en casos extremos presentar un comportamiento asimilable al de materiales granulares sin cohesin.

El espaciado entre discontinuidades juega un papel muy importante en la permeabilidad del macizo rocoso. En general, la conductividad hidrulica referida a una determinada familia es inversamente proporcional a su espaciado, siempre que la abertura de las discontinuidades individuales sea comparable.

.La continuidad; es la extensin del plano de discontinuidad. Define en gran parte si la matriz rocosa va a estar involucrada o no en los procesos de rotura del macizo rocoso, y en qu grado condiciona los parmetros resistentes globales del mismo.

.La rugosidad; de un plano de discontinuidad determina su resistencia al corte A mayor rugosidad mayor es la resistencia. La presencia de irregularidades dificulta el movimiento durante los procesos de desplazamiento tangencial por corte a favor de las discontinuidades.

La ondulacin y las rugosidades en los planos pueden controlar las posibles direcciones de desplazamiento, y definen la resistencia al corte para las distintas direcciones: la resistencia puede ser muy variable segn la direccin de movimiento coincida con la de la rugosidad o sea transversal a ella.

.La abertura; es la distancia perpendicular que separa las paredes de la discontinuidad cuando no existe rel1eno. Este parmetro puede sufrir gran variacin en diferentes zonas del macizo rocoso: mientras que en superficie la abertura puede ser elevada, al aumentar la profundidad sta se reduce, pudiendo llegar a cerrarse. La influencia de la abertura en la resistencia al corte es importante incluso en discontinuidades muy cerradas, al modificar las tensiones efectivas que actan sobre las paredes.

En ocasiones las discontinuidades aparecen con relleno de materiales blandos arcillosos o con material rocoso de naturaleza distinta a la de las paredes. Las propiedades fsicas y mecnicas del relleno, como la resistencia al corte, deformabilidad y permeabilidad, pueden ser muy variables, y controlan el comporta~ miento de la discontinuidad: en el caso de materiales blandos o alterados, la resistencia puede sufrir variaciones importantes a corto plazo si vara el contenido en humedad del relleno o si tiene lugar desplazamiento a lo largo de las juntas.

Las caractersticas principales del relleno son su naturaleza, espesor, resistencia al corte y permeabilidad.

Tanto si existe relleno corno si no, las discontinuidades son el camino preferente para las filtraciones del agua en el macizo rocoso (permeabilidad secundaria). El agua rebaja la resistencia al corte al disminuir las tensiones efectivas actuantes sobre los planos de discontinuidad.

Por ltimo, la resistencia a compresin simple de la pared de una discontinuidad, que depende del tipo de matriz rocosa, de la existencia o no de rel1eno y del grado de alteracin de las paredes, influye en la resistencia al corte y en la deformabilidad del plano de discontinuidad, sobre todo si no presentan relleno.

Esta resistencia suele ser menor que la de la roca intacta por la alteracin superficial.

Resistencia al corte de discontinuidadesUn macizo rocoso duro situado a poca profundidad est generalmente dividido en bloques discretos separados por discontinuidades que los cruzan como planos de estratificacin, juntas, zonas de cizalla y fallas. Puesto que las tensiones de campo son bajas a profundidades someras, las roturas en roca intacta originadas por las tensiones son normalmente mnimas y este mecanismo juega un papel insignificante en el comportamiento del macizo rocoso, que sin embargo est controlado por deslizamientos de origen gravitatorio a travs de las discontinuidades y rotaciones de bloques de roca individuales.

Al objeto de analizar la estabilidad de este sistema de bloques individuales es necesario comprender los factores que controlan la resistencia al corte de las discontinuidades que separan estos bloques. Estas cuestiones se tratan en la discusin que sigue.

Resistencia al corte de discontinuidades planas

Supongamos que se toman una serie de muestras de una roca, por ejemplo pizarra, para realizar ensayos de corte. Cada probeta contiene un plano de debilidad que la atraviesa y que est cementado, de forma que para separar las dos partes de la muestra es necesario aplicar una traccin. El plano de debilidad es absolutamente plano y no presenta ninguna irregularidad superficial ni ondulacin. Como se observa en la figura del margen, en un ensayo de corte cada muestra es sometida a una tensin normal n al plano de debilidad, y se mide la tensin cortante requerida para producir un desplazamiento .

La tensin cortante crecer de forma muy fuerte hasta alcanzar la resistencia de pico. Esto se corresponde con la rotura del material de cementacin que una las dos partes de la muestra. A medida que contina el desplazamiento, la tensin cortante ir disminuyendo hasta alcanzar un valor residual que permanecer constante a partir de ese momento, incluso para grandes desplazamientos.

Si se representan las resistencias de pico y residual para diferentes valores de la tensin normal aplicada, obtendremos las envolventes que se muestran en el grfico inferior del margen. As, para superficies discontinuidad plana, como las consideradas en este ejemplo, los puntos experimentales se encontraran en general formando lneas rectas. La relacin entre la resistencia al corte de pico p y la tensin normal n se puede representar por una expresin de tipo Mohr-Coulmb:

p = c + n tan

(5.1)

Donde

c es la resistencia cohesiva de la superficie cementada

es el ngulo de friccin.

Para el caso de la resistencia residual, la cohesin c habr bajado a cero y la relacin entre r y n quedar:

r = n tan r

(5.2)

Donde

r es el ngulo de friccin residual.

Se ha presentado este ejemplo al objeto de ilustrar el significado fsico del trmino cohesin, un trmino nacido en el mbito de la mecnica de suelos, que ha sido adoptado por la comunidad de mecnica de rocas. En los ensayos de resistencia al corte en suelos, los niveles de tensiones son en general un orden de magnitud inferior que los que tiene lugar en los ensayos sobre rocas y la resistencia cohesiva de un suelo es un resultado de la adhesin de sus partculas. En mecnica de rocas, slo aparece verdadera cohesin en los ensayos de corte sobre discontinuidades cementadas. Sin embargo, en muchas aplicaciones prcticas, se suele utilizar el trmino cohesin por conveniencia, refirindose a un valor matemtico relativo a la rugosidad de la superficie, tal y como se comentar ms adelante. La cohesin ser en estos casos simplemente la interseccin del criterio de resistencia al corte con el eje , esto es, para una tensin normal nula.

Un parmetro fundamental para comprender la resistencia al corte de superficies de discontinuidad es el ngulo de friccin bsico b. Es aproximadamente igual al ngulo de friccin residual r pero se suele medir a partir de ensayos sobre superficies de roca serradas o pulidas. Estos ensayos, que se pueden realizar sobre superficies tan pequeas como 50 mm x 50 mm, darn lugar a un diagrama formado por una recta que vendr definida por la expresin:

= n tan b

Resistencia al corte de discontinuidades rugosas sin rellenoUna superficie de discontinuidad en una roca dura nunca es tan lisa como una superficie serrada o pulida, como las usadas para determinar el ngulo de friccin bsico. Las ondulaciones y asperezas de la superficie natural de una junta tienen una gran influencia en su comportamiento resistente. Generalmente, esta rugosidad de la superficie incrementa la resistencia al corte de la misma, y este incremento de la resistencia es muy importante para la estabilidad de excavaciones subterrneas.

Patton (1966) demostr esta influencia mediante un sencillo experimento. Realiz ensayos de corte en muestras cortadas con perfiles de dientes de sierra regulares, como la que se muestra en la figura del margen. El desplazamiento cortante ocurre como resultado del movimiento ascendente a travs de las caras inclinadas de la junta, causando la dilatacin (incremento de volumen) de la muestra.

La resistencia al corte de estas muestras con perfiles de dientes de sierra regulares de Patton se puede representar por la expresin:

= n tan (b+ i )

(5.4)

Donde

b es el ngulo de friccin bsico de la superficie y

i es el ngulo regular de los dientes de sierra.

Esta ecuacin es vlida para tensiones normales bajas, para las que el desplazamiento cortante se debe exclusivamente al deslizamiento a travs de superficies inclinadas. Para tensiones normales ms altas, la resistencia del material intacto ser alcanzada y los dientes de sierra tendern a romperse, dando lugar a un comportamiento resistente ms relacionado con la resistencia del material intacto que con las caractersticas friccionales de las superficies.

Barton y sus colaboradores (1973, 1976, 1977, 1990) estudiaron detalladamente el comportamiento de juntas naturales en roca y propusieron que la ecuacin 5.4 se poda reescribir como:

= n tan [b + JRC log10 (JCS/n)]

Donde JRC es el coeficiente de rugosidad de la junta y

JCS la resistencia a compresin de los labios de junta.

..Estimacin de campo de JRCEl coeficiente de rugosidad de una junta JRC es una cifra que se determina comparando el aspecto de la superficie de discontinuidad con una serie de perfiles estndar publicados por Barton y otros. Uno de los conjuntos de estos perfiles ms tiles fue publicado por Barton y Choubey (1977) y se reproduce en la figura 5.1. Conviene recordar que estos perfiles han sido reproducidos a escala real al objeto de facilitar la comparacin directa con perfiles de rugosidad medidos, si es que se dispone de ellos.

Barton (1987) public una tabla que relaciona el Jr del ndice de calidad del macizo Q y el JRC y que se reproduce en la figura

Barton y Bandis (1990) sugieren que el JRC tambin se puede estimar a partir sencillos ensayos de inclinacin o tilt tests en los que dos bloques de roca asociados los dos labios de una discontinuidad se van inclinando lentamente hasta que el elemento superior desliza sobre el inferior, para un ngulo . El valor del JRC se estimar a partir de este ngulo de inclinacin , a partir de la siguiente expresin.

JRC = (- b) / log10 (JCS/n)

En el caso de muestras pequeas, la tensin normal n puede llegar a ser tan baja como 0.001 MPa. Partiendo de este valor en un caso tpico en el que el ngulo de inclinacin para el deslizamiento sea = 65, el ngulo de friccin bsico sea b = 30 y el JCS = 100 MPa, la ecuacin 5.6 dar un resultado de JRC = 7.

Estimacin de campo de JCS

Los mtodos propuestos para la estimacin de la resistencia a compresin simple de los labios de una junta fueron publicados por la ISRM (1978). El uso del esclermetro o Martillo de Schmidt para estimar este valor fue sugerido por Deere y Miller (1966).

..Estimacin de campo de JCS

Los mtodos propuestos para la estimacin de la resistencia a compresin simple de los labios de una junta fueron publicados por la ISRM (1978). El uso del esclermetro o Martillo de Schmidt para estimar este valor fue sugerido por Deere y Miller (1966).

3.2.1Criterio de rotura al corte de Barton

Parmetros de entrada:

ngulo de friccin bsico (AFB)- grados29

Coeficiente de rugosidad de la junta (JRC)16,9

Resistencia a compresin de los labios de la junta (JCS)96

Tensin normal mnima (SIGNMIN)0,360

TensinTensintaungulo deCohesin

normalcortantedSIGNFriccin

(SIGN)(TAU)(DTDS)(PHI)(COH)

MPaMPagradosMPa

0,3600,9891,65258,820,394

0,7201,5381,42354,910,513

1,4402,4761,21350,490,730

2,8804,0731,03045,851,107

5,7596,7790,87241,071,760

11,51811,3440,73336,222,907

23,03618,9730,60931,334,953

46,07331,5330,49626,408,666

Frmulas :

SIGNMIN=10^(LOG(JCS)-(70-AFB)/JRC)

TAU=SIGN*TAN((AFB+JRC*LOG(JCS/SIGN))*PI()/180)

DTDS=TAN((JRC*LOG(JCS/SIGN)+AFB)*PI()/180)-(JRC/LN(10))*

(TAN((JRC*LOG(JCS/SIGN)+AFB)*PI()/180)^2+1)*PI()/180

PHI=ATAN(DTDS)*180/pi()

COH=TAU-SIGN*DTDS

Figura 5.5: Esquema de la hoja de clculo con sus celdas y frmulas realizada para calcular la resistencia al corte, el ngulo de friccin instantneo y la cohesin instantnea de una junta para una determinada gama de tensiones normales.

Sin embargo, debido a que dicha relacin (p.ej. Ecuacin 5.5.) no se expresa en trminos de c y , es necesario estimar de la mejor manera posible la cohesin y ngulo de friccin equivalentes a partir de expresiones como la que propuso Barton.

La figura 5.4. Presenta las definiciones de cohesin instantnea ci y ngulo de friccin instantneo i para una tensin normal n. Estas cantidades vienen dadas respectivamente por la ordenada en el origen y la pendiente de la recta tangente a la curva no- lineal que relaciona la resistencia al corte con la tensin normal. Se pueden utilizar estos valores en anlisis de estabilidad en los que se utilice el criterio de deslizamiento de Mohr-Coulomb (Ecuacin 5.1), siempre que la tensin normal n este razonablemente prxima al valor utilizado para definir el punto tangente.

En una aplicacin prctica tpica, se puede utilizar un programa en forma de hoja de clculo sencillo para resolver la ecuacin 5.5. y calcular los valores de la cohesin y friccin instantneas para una gama de valores de la tensin normal. Una parte de una hoja de clculo de este tipo se muestra en la Figura 5.5. Se puede comprobar como la ecuacin 5.5. deja de tener validez para n = 0 y pierde todo sentido prctico para b + JRC log10(JCS /n)> 70. Se puede utilizar este lmite para determinar un valor mnimo de n. Se puede considerar un lmite superior de n adecuado n= JCS.

En la hoja de clculo de la figura 5.5, el ngulo de friccin instantnea i, para la tensin normal n, se ha calculado mediante la relacin:

i = arctan (((/(n)

(5.9)

Donde((/(n = tan [JRC log10 (JCS /n) + b] -

(( JRC / LN 10){tan2 [JRC log10 (JCS /n ) + b]+1}(5.10)

La cohesin instantnea ci se calcula como:

ci = ( - n tan i

(5.11)

Para seleccionar adecuadamente los valores ci y i para su uso en un estudio especfico, la tensin normal media n que acta sobre la discontinuidad debe ser estimada y posteriormente utilizada para determinar el valor apropiado sobre la correspondiente columna en la hoja de clculo presentada. En muchos casos prcticos, un valor nico de n ser suficiente pero, cuando se consideren problemas de estabilidad crtica, la seleccin de la tensin normal se debe repetir para cada superficie de discontinuidad observada.

Efectos de escala sobre JRC y JCS

La ecuacin 5.5 indica que existen tres factores que controlan la resistencia al corte de las discontinuidades naturales: el ngulo de friccin bsico b, una componente geomtrica JRC, y una componente de rotura de las asperezas controlada por la relacin (JCS/n). La figura 5.3, adaptada de la figura original publicada por Bandis (1980), muestra que, a medida que aumenta la escala, la rugosidad efectiva de la superficie (JRC) decrece. Y por tanto la resistencia al corte de la discontinuidad tambin disminuye. Tambin y debido al aumento de posibilidades de encontrar zonas de debilidad en un discontinuidad mayor, la resistencia a compresin simple promedio de una junta (JCS) decrece con el aumento de la escala.

A partir de un programa de laboratorio extensivo sobre juntas, rplicas de juntas y una revisin bibliogrfica exhaustiva, Barton y Bandis (1982) propusieron las correcciones de escala para JRC y JCS que se presentan en las ecuaciones 5.7 y 5.8.

JRCn = JRC0 [L n/ L0] -0.02JRCo

(5.7)

JCSn = JCS0 [L n/ L0] -0.03JRCo

(5.8)

Donde JRC0, JCS0, y L0 (longitud) se refieren a muestras a escala de laboratorio de 100 mm y JRCn, JCSn, y Ln se refieren a tamaos de bloques naturales in-situ.

La cantidad JCS0, resistencia a compresin de los labios de una junta preparada para laboratorio de 100 mm, tiene un valor mximo igual a la resistencia a compresin simple del material rocoso intacto. Se observar este valor mximo en el caso de que la junta presente superficies de discontinuidad fresca, no meteorizada e inalterada. La resistencia se ir reduciendo a medida que lo haga el nivel de meteorizacin o alteracin de las superficies de discontinuidad y tambin por el tamao de la discontinuidad, tal y como sugiere la Ecuacin 5.8. Cohesin y friccin instantneasDebido al desarrollo histrico de la disciplina de la mecnica de rocas, muchos de los anlisis, realizados para calcular el coeficiente de seguridad frente al deslizamiento, se expresaban en trminos de la cohesin y la friccin de Mohr-Coulomb, definidas en la Ecuacin 5.1. Desde 1970 se ha reconocido que la relacin entre la resistencia al corte y la tensin normal se puede representar de manera ms exacta mediante una relacin no lineal como la propuesta por Barton (1973).

Igua 5.4: Definicin de la cohesin instantnea ci y el ngulo de friccin instantneo i, pra un criterio de rotura no lineal.

Fiabilidad del modelo de Barton y otros mtodos

El mtodo de estimacin de la resistencia al corte de Barton presentado es con diferencia el ms comnmente utilizado en la prctica, debido a la simplicidad de su uso y por que en general no ha dado lugar a demasiados problemas.

No obstante Rasouli y Harrison (2001) analizaron la fiabilidad del mtodo, Con especial atencin a la estimacin del JRC, realizando estimaciones de parmetros y comparndolas con resultados de ensayos. Concluyeron que la aplicacin de este mtodo basada en los perfiles de rugosidad de la figura 3.7. no resul-, ,; demasiado fiable, Evidentemente los mtodos de estimacin de la rugosidad como el de Barton sor inexactos: ya que entre otras Cosas son Incapaces de tener en cuenta la anisotropa.fenomeno que ocasionalmente es muy marcado en las juntas, sin embargo, su utilizacin es muy comn por q"" '" primer lugar, y tal como han constatado diversos autores, resulta ms bien conservador; y adems, retomando la cita que inicia este capitulo, de nada vale un mtodo matemtico muy sol;s:ic2CC si se es inca~ paz de estimar de manera razonable y a coste apropiado, valores adecuados para dicho modelo

Kulatilake (1995) basndose en estudios detallados de laboratorio sobre un elevado numero de discontinuidades naturales propusieron un nuevo criterio de rotura de discontinuidades que pretenda superar algunos de los defectos del mtodo de Barton, como el hecho de no contemplar la anisotropa.

Donde a parte de los parmetros ya definidos por Barton, aparece el SRP, que sera un parmetro estacionario de rugosidad e I que sera un parmetro no estacionario dependiente de la rugosidad. Ambos se pueden definir mediante el uso de tcnicas de geometra fractal y se determinan a partir de la medida de los perfiles de rugosidad de la junta en diferentes direcciones y a su vez dependeran de la escala Finalmente los parmetros a, c y d seran experimentales y se obtendran realizando varios ensayos de corte sobre las junta y estimndolos con regresiones por mnimos cuadrados. Mediante esta tcnica, que necesita recuperar la superficie completa de cada discontinuidad con tcnicas lser y realizar mltiples ensayos con replicas de discontinuidades naturales, realizaron predicciones muy exactas.

Fardin'et al. (2001) Y otros autores investigan mtodos anlogos, sin embargo, para poder obtener parmetros realistas de este tipo de expresiones complejas resulta necesario utilizar tcnicas de muestreo y ensayos de laboratorio inabordables en la prctica comn de las empresas de ingeniera. Por todo ello, el mtodo do de Barton, que es inexacto pero conservador, se sigue utilizando en un elevado porcentaje de estudios y proyectos y parece que esta tendencia continuar en el futuro.

En este sentido Hudson y Harrison (1997) indican que es posible que se produzcan avances en la caracterizacin geomtrica y geotcnica de juntas como resultado de las investigaciones que se estn llevando a cabo: pero que estos avances slo sern extensiones de las tcnicas convencionales aqu presentadas, de forma que se ir llegando a formulaciones muy complicadas y de dudosa aplicacin prctica

Resistencia al corte de discontinuidades con rellenoEn los apartados anteriores se ha analizado la resistencia al corte de discontinuidades en las que sus labios contactaban entre si a lo largo de toda la longitud de la superficie considerada. Esta resistencia al corte se reduce drsticamente cuando este contacto desaparece en todo o en parte, y es sustituido por un material blando de relleno, como los materiales arcillosos. En superficies planas, como los planos de estratificacin caractersticos de las rocas sedimentarias, una fina capa de arcilla dar lugar a una disminucin significativa de su resistencia al corte. En una junta muy rugosa u ondulada, el espesor del relleno tendr que ser mayor que la amplitud de la ondulacin para que la resistencia al corte de la junta se reduzca hasta aquella del material de relleno.

Barton (1974) llev a cabo una recopilacin bibliogrfica y una revisin detallada del comportamiento resistente de las discontinuidades con relleno. A partir de esta revisin, se presenta en la tabla 5.1. un resumen de los valores de resistencia al corte de los materiales de relleno de discontinuidades ms comunes.

En el caso de que los macizos rocosos que se analicen, presenten juntas con espesores grandes de arcilla o material desagregado y en el caso de que la resistencia al corte de las discontinuidades con relleno pueda jugar un papel significativo en la estabilidad del macizo rocoso, resulta harto recomendable enviar muestras de los materiales de relleno a un laboratorio de mecnica de suelos para analizar el comportamiento resistente de estos materiales que marcar la resistencia al corte de las discontinuidades.

Influencia de la presin de aguaCuando existe presin de agua en el macizo rocoso, esta produce un empuje que separa los labios de la discontinuidad y reduce la tensin normal n. En condiciones de rgimen permanente, en las que hay suficiente tiempo para que la presin de agua alcance el equilibrio en el macizo rocoso, la tensin normal reducida se define como n= (n- u), donde u es la presin de agua. Esta tensin normal reducida n se suele denominar tensin normal efectiva, y se puede utilizar en vez de del trmino tensin normal n en todas las ecuaciones presentadas en los apartados anteriores de este captulo.

Tabla 5.1: Resistencia al

Ro mca Descripcinc (MPa)

de pico

de picoc (MPa)

residual

residual

BasaltoBrecha basltica arcillosa, amplia variacin del contenido en arcilla y basalto0.2442

BentonitaFiln bentontico en creta

Capas estrechas

Ensayos triaxiales0.015

0.09-0.12

0.06-0.17.5

12-17

9-13

Pizarra BentonticaEnsayos triaxiales

Ensayos de corte directo0-0.278.5-290-0.038.5

ArcillasSobreconsolidas, deslizamientos, juntas y cizallamientos menores0-0.1812-18.50-0.00310.5-16

Lutita arcillosaEnsayos triaxiales

Superficies de estratificacin0.0632019-25

Lutitas en carbnCapas de arcillas milontica, 10 a 25 mm0.01216011-11.5

DolomitaCapa de lutita alterada0.0414.50.0217

Diorita, grano-diori ta y prfidoRelleno arcilloso (arcilla 2 %, IP = 17%)026.5

GranitoFallas rellenas de arcilla

Relleno de falla arenoso

Zona de cizalla tectnica, granitos esquistosos y rotos, roca desintegrada y arcilla.0-0.1

0.05

0.2424-45

40

42

Grauwaca1-2 mm de arcilla en planos de estratificacin.021

Calizacapa de 6 mm de arcilla

10-20 mm de relleno arcilloso