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Juan Montero Olarte
Capítulo 11
CARACTERIZACIO� GEOLOGICA DE MACIZOS
ROCOSOS
Juan Montero Olarte
1
I�TRODUCCIO�
Esta nota técnica se relaciona con la caracterización geológica de macizos rocosos en relación con la
estabilidad de taludes de corte principalmente. En este contexto el macizo rocoso comprende el
conjunto del material rocoso, es decir, la sustancia rocosa misma, y las discontinuidades geológicas que
aíslan los bloques o fragmentos de roca que lo conforman.
Un talud vertical de 40m-60, realizado en un macizo imaginario de arenisca que no tuviera planos
estructurales, podría mantenerse estable. Pero generalmente un talud de tal magnitud e inclinación en
un macizo real, en ese tipo de roca, es de alguna manera inestable, como consecuencia del
desplazamiento de masas de roca a lo largo de las discontinuidades estructurales o su desprendimiento.
En el caso particular de que la roca este intensamente fracturada pueden desarrollarse fallas de tipo
rotacional o semejante.
Las características de resistencia y deformabilidad de los macizos rocosos dependen fundamentalmente
entonces, de las características de las discontinuidades estructurales, las cuales actúan como planos
débiles. Esta condición es particularmente cierta en el caso de excavaciones abiertas, como las
excavaciones viales o mineras superficiales, realizadas en rocas duras.
Si la resistencia al desplazamiento de corte es apreciablemente menor a lo largo de esas
discontinuidades que a través del material rocoso, estas discontinuidades estructurales constituyen
verdaderas discontinuidades mecánicas y el macizo se considera como un macizo de roca dura. En el
caso de que la resistencia a lo largo de las mismas sea semejante al del material rocoso, éste tipo de
macizos falla a lo largo del material y se considera como un macizo de roca blanda.
Se describen a continuación los factores de los macizos que determinan su estabilidad en excavaciones
abiertas, los cuales son también aplicables en algunos casos a excavaciones subterráneas.
Estos factores se relacionan con la orientación y posición espacial de las discontinuidades y otras
características de las mismas tales como su resistencia, sus asperezas, el tipo de relleno o sellante
alojado en las mismas y las condiciones de flujo de agua subterránea.
RESISTE�CIA Y �IVEL DE ESFUERZOS
Resistencia del Material Rocoso
Este factor define, conjuntamente con el estado de esfuerzos, si un macizo rocoso falla a lo largo de sus
discontinuidades estructurales o a través del material rocoso.
A este respecto las rocas se pueden agrupar en cuatro clases de acuerdo con su textura y fábrica:
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Profesor asociado UNAL
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a) Rocas Cristalinas Masivas. Con partículas minerales mecánicamente entrabadas y con orientación
aleatoria como las ígneas en general, las calizas líticas y las cuarcitas.
b) Rocas Cristalinas Foliadas. Con partículas minerales mecánicamente entrelazadas, con orientación
preferencial a lo largo de la cual las rocas son menos resistentes. A este grupo pertenecen las rocas
metamórficas foliadas como las filitas o los esquistos
c) Rocas con Textura Clástica Cementada. Con partículas minerales cementadas, con resistencia y
deformabilidad variable, dependiendo de la calidad del material cementante, las proporciones de
grano de esqueleto y grano de matriz y el grado de empaquetamiento general que posea. A este
grupo pertenecen las rocas sedimentarias detrítitcas como las areniscas y los conglomerados. Las
variedades más resistentes poseen cemento silíceo, sus partículas están bien empaquetadas y su
porosidad es muy reducida.
d) Rocas con Textura Clástica Consolidada. Con partículas consolidadas, que comprende
básicamente el grupo de las lutitas dentro de las rocas sedimentarias y cuya resistencia se
acrecienta con el grado de consolidación: arcillolita, lodolita y limolita/shales arcilloso y shale
lodoso/argilita
En la Tabla 1 se presenta un resumen de la resistencia de las rocas en estado fresco o con
meteorización incipiente.
Tabla 1 Rango de Resistencia para algunas rocas en estado fresco y sano
TEXTURA EJEMPLOS
RESISTE�CIA A LA
COMPRESIÓ� SIMPLE
(Kg/cm2)
Cristalina Masiva*
Cuarcita, diabasa,
basalto denso
1.200 – 2.500
Cristalina Foliada Filita, esquisto, neis 500 – 1.800
Clástica Consolidada Arenisca 50 – 1.500
Clástica Cementada Lutita 50 – 1.500
*Entre las rocas cristalinas masivas, las lavas poseen resistencia más dispersa
6.2.2 �ivel de Esfuerzos
Este factor se incrementa con el aumento de la profundidad y el tamaño de las excavaciones.
La gran mayoría de las excavaciones subterráneas exigen profundidades alrededor de 300m a 600m
para las cuales las presiones litostáticas varían entre 75 y 150 Kg/cm2.
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Figura 12 Tabla de perfiles típicos de rugosidad
En el campo el valor de JCS se puede obtener de manera aproximada mediante ensayos de penetración
con el martillo Schmidt (Figura 13).
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Figura 13 Gráfica que permite estimar la Resistencia a la Compresión Simple (σc), mediante mediciones
de dureza con el martillo Schmidt, con diferentes orientaciones de impacto
El valor de JRC depende de la escala de medición de la rugosidad. Si la escala es grande, se puede usar
la tabla de la Figura 12 anterior, pero si es pequeña es conveniente acudir a una alternativa de
estimación del JRC como la sugerida en la Figura 14.
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Para GSI < 0.25 (un macizo de pobre calidad) se aplica con:
S = 0 (4) y a = 0.65 - GSI / 200 (5)
Los valores obtenidos se reemplazan en la ecuación 1.
CLASIFICACIÓ� Y CARACTERIZACIÓ� DE MACIZOS ROCOSO
Desde la aparición de la clasificación de rocas de Terzaghi (1946), propuesta para calcular cargas de
roca sobre arcos metálicos de túneles, han aparecido numerosas clasificaciones semejantes. De las
últimas conocidas vale la pena destacar la del CSIR (consejo Surafricano para Investigación Científica
e Industrial), desarrollada por Bienawski y la del NGI (Instituto Geotécnico Noruego) propuesta por
Barton, Lien y Lunde. Ésta última se basa en la siguiente expresión:
SRF
Jw
Ja
Jr
Jn
RQD
Q ⋅⋅=
(5)
El primer término RQD/Jn representa el tamaño de los bloques; el segundo, Jr/Ja, representa la
resistencia al corte entre bloques, como una medida de la rugosidad y demás características
friccionantes de las paredes de las diaclasas (en este caso el macizo mejora mientras mayor sea la
rugosidad y menor su alteración); el tercer factor, Jw/SRF, representa un factor de esfuerzos activos, el
cual corresponde a un parámetro de fuerzas que depende de la presión del agua que tiene efecto
negativo en la resistencia y de tres valores de esfuerzos: la carga que se disipa en una excavación; el
efecto de esfuerzos sobre rocas competentes y el efecto de esfuerzos sobre rocas plásticas
incompetentes.
En la Tabla 5 se presenta la manera como se evalúan los macizos rocosos según la propuesta NGI.
Para tener una estimación del RQD, se puede usar la siguiente expresión:
JvRQD ⋅−= 3.3115 (6)
donde Jv corresponde a la cantidad de discontinuidad por metro cúbico.
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Tabla 5 Clasificación de macizos rocosos (�GI)
Tabla 5 Clasificación de macizos rocosos (�GI)
Juan Montero Olarte
Capítulo 11
CARACTERIZACIO� GEOLOGICA DE MACIZOS
ROCOSOS
Juan Montero Olarte
1
I�TRODUCCIO�
Esta nota técnica se relaciona con la caracterización geológica de macizos rocosos en relación con la
estabilidad de taludes de corte principalmente. En este contexto el macizo rocoso comprende el
conjunto del material rocoso, es decir, la sustancia rocosa misma, y las discontinuidades geológicas que
aíslan los bloques o fragmentos de roca que lo conforman.
Un talud vertical de 40m-60, realizado en un macizo imaginario de arenisca que no tuviera planos
estructurales, podría mantenerse estable. Pero generalmente un talud de tal magnitud e inclinación en
un macizo real, en ese tipo de roca, es de alguna manera inestable, como consecuencia del
desplazamiento de masas de roca a lo largo de las discontinuidades estructurales o su desprendimiento.
En el caso particular de que la roca este intensamente fracturada pueden desarrollarse fallas de tipo
rotacional o semejante.
Las características de resistencia y deformabilidad de los macizos rocosos dependen fundamentalmente
entonces, de las características de las discontinuidades estructurales, las cuales actúan como planos
débiles. Esta condición es particularmente cierta en el caso de excavaciones abiertas, como las
excavaciones viales o mineras superficiales, realizadas en rocas duras.
Si la resistencia al desplazamiento de corte es apreciablemente menor a lo largo de esas
discontinuidades que a través del material rocoso, estas discontinuidades estructurales constituyen
verdaderas discontinuidades mecánicas y el macizo se considera como un macizo de roca dura. En el
caso de que la resistencia a lo largo de las mismas sea semejante al del material rocoso, éste tipo de
macizos falla a lo largo del material y se considera como un macizo de roca blanda.
Se describen a continuación los factores de los macizos que determinan su estabilidad en excavaciones
abiertas, los cuales son también aplicables en algunos casos a excavaciones subterráneas.
Estos factores se relacionan con la orientación y posición espacial de las discontinuidades y otras
características de las mismas tales como su resistencia, sus asperezas, el tipo de relleno o sellante
alojado en las mismas y las condiciones de flujo de agua subterránea.
RESISTE�CIA Y �IVEL DE ESFUERZOS
Resistencia del Material Rocoso
Este factor define, conjuntamente con el estado de esfuerzos, si un macizo rocoso falla a lo largo de sus
discontinuidades estructurales o a través del material rocoso.
A este respecto las rocas se pueden agrupar en cuatro clases de acuerdo con su textura y fábrica:
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Profesor asociado UNAL
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a) Rocas Cristalinas Masivas. Con partículas minerales mecánicamente entrabadas y con orientación
aleatoria como las ígneas en general, las calizas líticas y las cuarcitas.
b) Rocas Cristalinas Foliadas. Con partículas minerales mecánicamente entrelazadas, con orientación
preferencial a lo largo de la cual las rocas son menos resistentes. A este grupo pertenecen las rocas
metamórficas foliadas como las filitas o los esquistos
c) Rocas con Textura Clástica Cementada. Con partículas minerales cementadas, con resistencia y
deformabilidad variable, dependiendo de la calidad del material cementante, las proporciones de
grano de esqueleto y grano de matriz y el grado de empaquetamiento general que posea. A este
grupo pertenecen las rocas sedimentarias detrítitcas como las areniscas y los conglomerados. Las
variedades más resistentes poseen cemento silíceo, sus partículas están bien empaquetadas y su
porosidad es muy reducida.
d) Rocas con Textura Clástica Consolidada. Con partículas consolidadas, que comprende
básicamente el grupo de las lutitas dentro de las rocas sedimentarias y cuya resistencia se
acrecienta con el grado de consolidación: arcillolita, lodolita y limolita/shales arcilloso y shale
lodoso/argilita
En la Tabla 1 se presenta un resumen de la resistencia de las rocas en estado fresco o con
meteorización incipiente.
Tabla 1 Rango de Resistencia para algunas rocas en estado fresco y sano
TEXTURA EJEMPLOS
RESISTE�CIA A LA
COMPRESIÓ� SIMPLE
(Kg/cm2)
Cristalina Masiva*
Cuarcita, diabasa,
basalto denso
1.200 – 2.500
Cristalina Foliada Filita, esquisto, neis 500 – 1.800
Clástica Consolidada Arenisca 50 – 1.500
Clástica Cementada Lutita 50 – 1.500
*Entre las rocas cristalinas masivas, las lavas poseen resistencia más dispersa
6.2.2 �ivel de Esfuerzos
Este factor se incrementa con el aumento de la profundidad y el tamaño de las excavaciones.
La gran mayoría de las excavaciones subterráneas exigen profundidades alrededor de 300m a 600m
para las cuales las presiones litostáticas varían entre 75 y 150 Kg/cm2.
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Figura 12 Tabla de perfiles típicos de rugosidad
En el campo el valor de JCS se puede obtener de manera aproximada mediante ensayos de penetración
con el martillo Schmidt (Figura 13).
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Figura 13 Gráfica que permite estimar la Resistencia a la Compresión Simple (σc), mediante mediciones
de dureza con el martillo Schmidt, con diferentes orientaciones de impacto
El valor de JRC depende de la escala de medición de la rugosidad. Si la escala es grande, se puede usar
la tabla de la Figura 12 anterior, pero si es pequeña es conveniente acudir a una alternativa de
estimación del JRC como la sugerida en la Figura 14.
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Para GSI < 0.25 (un macizo de pobre calidad) se aplica con:
S = 0 (4) y a = 0.65 - GSI / 200 (5)
Los valores obtenidos se reemplazan en la ecuación 1.
CLASIFICACIÓ� Y CARACTERIZACIÓ� DE MACIZOS ROCOSO
Desde la aparición de la clasificación de rocas de Terzaghi (1946), propuesta para calcular cargas de
roca sobre arcos metálicos de túneles, han aparecido numerosas clasificaciones semejantes. De las
últimas conocidas vale la pena destacar la del CSIR (consejo Surafricano para Investigación Científica
e Industrial), desarrollada por Bienawski y la del NGI (Instituto Geotécnico Noruego) propuesta por
Barton, Lien y Lunde. Ésta última se basa en la siguiente expresión:
SRF
Jw
Ja
Jr
Jn
RQD
Q ⋅⋅=
(5)
El primer término RQD/Jn representa el tamaño de los bloques; el segundo, Jr/Ja, representa la
resistencia al corte entre bloques, como una medida de la rugosidad y demás características
friccionantes de las paredes de las diaclasas (en este caso el macizo mejora mientras mayor sea la
rugosidad y menor su alteración); el tercer factor, Jw/SRF, representa un factor de esfuerzos activos, el
cual corresponde a un parámetro de fuerzas que depende de la presión del agua que tiene efecto
negativo en la resistencia y de tres valores de esfuerzos: la carga que se disipa en una excavación; el
efecto de esfuerzos sobre rocas competentes y el efecto de esfuerzos sobre rocas plásticas
incompetentes.
En la Tabla 5 se presenta la manera como se evalúan los macizos rocosos según la propuesta NGI.
Para tener una estimación del RQD, se puede usar la siguiente expresión:
JvRQD ⋅−= 3.3115 (6)
donde Jv corresponde a la cantidad de discontinuidad por metro cúbico.
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Tabla 5 Clasificación de macizos rocosos (�GI)
Tabla 5 Clasificación de macizos rocosos (�GI)
