Notas Mecánica de Suelos y Rocas Edilma Lucía Gómez Paniagua14 DESCRIPCIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES 14.1 ASPECTOS GENERALES Las discontinuidades condicionan de forma definitiva las propiedades y el comportamiento resistente, deformacional e hidráulico de los macizos rocosos. En macizos rocosos puede ser incluso más importante que la resistencia de la matriz rocosa como tal, estudiar las características y propiedades de las discontinuidades. Normalmente se presentan por grupo siguiendo tendencias similares, razón por la cual se suelen llamar a esos grupos familias de discontinuidades. Como se ilustra en la Figura 14.1, las características más importantes a tener en cuenta con respecto a las familias de discontinuidades son la orientación, el espaciamiento, la continuidad o persistencia, la rugosidad, la resistencia de las paredes, la abertura, el relleno y las filtraciones. Figura 14.1. Principales características a medir de lãs discontinuidades 14.2 ESPACIADO, CONTINUIDAD, ABERTURA, FILTRACIONES Y RUGOSIDAD Para medir propiedades como el espaciado, la continuidad, la abertura y las filtraciones en un macizo rocoso, se hacen mediciones en campo y luego se suelen usar tablas que permiten incluir dentro de categorías a las mediciones efectuadas. En la Tabla 13.1 se presentan las categorías para el espaciado, en la Tabla 13.2 para la abertura, en la Capítulo 14. Discontinuidades 14-1 Notas Mecánica de Suelos y Rocas Edilma Lucía Gómez Paniagua Tabla 13.3 para la continuidad y en la Tabla 13.4 para la filtración. En esta última, los resultados se separan según se trate de discontinuidades sin relleno o con relleno. Tabla 13.1. Categorías para calificar el espaciado Descripción Espaciado Extremadamente Junto < 20 mm Muy Junto 20 mm a 60 mm Junto 60 mm a 200 mm Moderadamente Junto 200 mm a 600 mm Separado 600 mm a 2000 mm Muy Separad 2000 mm a 6000 mm Extremadamente Separado > 6000 mm Tabla 13.2. Categorías para calificar la abertura Descripción Abertura Muy Cerrada < 0.1 mm Cerrada 0.1 mm a 0.25 mm Parcialmente Abierta 0.25 mm a 0.5 mm Abierta 0.5 mm a 2.5 mm Moderadamente Ancha 2.5 mm a 10 mm Ancha >10 mm Muy Ancha 1 cm a 10 cm Extremadamente Ancha 10 cm a 100 cm Cavernosa >1m Tabla 13.3. Categorías para calificar la continuidad Descripción Longitud Muy Baja <1m Baja 1ma3m Capítulo 14. Discontinuidades 14-2 Notas Mecánica de Suelos y Rocas Edilma Lucía Gómez Paniagua Descripción Longitud Media 3 m a 10 m Alta 10 m a 20 m Muy Alta > 20 m Tabla 13.4. Categorías para calificar la filtración Clase Discontinuidades sin Relleno Discontinuidades con Relleno Junta muy plana y cerrada. Aparece seca y Relleno muy consolidado y seco. No es I no parece posible que circule agua. posible el flujo de agua. II Junta seca sin evidencia de flujo de agua. Relleno húmedo pero sin agua libre. Junta seca pero con evidencia de haber III Relleno mojado con goteo ocasional. circulado agua. Relleno que muestra señales de lavado, flujo IV Junta húmeda pero sin agua libre. de agua continuo. Se debe estimar el caudal en l/min. Relleno localmente lavado. Flujo Junta con rezume, ocasionalmente goteo V considerable según canales preferentes. Se pero sin flujo continuo. debe estimar caudal y presión. Junta con flujo continuo de agua. Se debe Rellenos completamente lavados, presiones VI estimar el caudal en l/min y la presión. de agua elevadas. La rugosidad se califica según dos escalas diferentes (Figura 14.2 y Figura 14.3). La primera es de orden decimétrico o métrico y califica la ondulación de las superficies como escalonadas, onduladas y planas. La segunda escala es de orden centimétrico o milimétrico en la que se califica las irregularidades de las paredes como rugosas, lisas o pulidas. En general, son ideales para efectos de resistencia del macizo rocoso las rugosidades escalonadas rugosas y resultan peores las discontinuidades planas y pulidas. Capítulo 14. Discontinuidades 14-3 Notas Mecánica de Suelos y Rocas Edilma Lucía Gómez Paniagua Figura 14.2. Rugosidades a escalas métrica o decimétrica y centimétrica o milimétrica Figura 14.3. Esquemas típicos para calificar lãs rugosidades 14.3 ORIENTACIÓN La orientación de las familias, junto con el espaciado, define la forma y el tamaño de los bloques de un macizo rocoso. Como se muestra en la Figura 14.4, la orientación de una familia queda definida por su buzamiento () y además por su dirección de buzamiento (). Capítulo 14. Discontinuidades 14-4 Notas Mecánica de Suelos y Rocas Edilma Lucía Gómez Paniagua Figura 14.4. Orientación de las discontinuidades El buzamiento es la inclinación, respecto a la horizontal, de la línea de máxima pendiente del plano. La dirección del buzamiento se define como la dirección de dicha línea de máxima pendiente respecto al Norte. Ambas propiedades se miden por medio de brújula. El buzamiento varía entre 0° (caso de una discontinuidad horizontal) y 90° (caso de una discontinuidad vertical). La dirección del buzamiento se mide siguiendo la dirección de las manecillas del reloj desde el Norte y varía por lo tanto entre 0° y 360°. También puede definirse la orientación de un plano de discontinuidad por su rumbo y su buzamiento. El rumbo corresponde al ángulo que forma una línea horizontal trazada sobre el plano de discontinuidad con el norte magnético. En este caso es necesario indicar tanto el sentido del rumbo (noreste u noroeste) y el sentido del buzamiento (noreste, noroeste, sureste o suroeste). Se presentan a continuación en la Tabla 13.5 algunos ejemplos sobre usos de ambas formas de definir la orientación de planos de discontinuidad. Se puede observar que un plano con rumbo Noreste solo puede buzar hacia el Sureste o hacia el Noroeste. Así mismo, un plano con rumbo Noroeste solo puede buzar hacia el Noreste o hacia el Suroeste. Resulta entonces que un plano con rumbo N30°E y buzamiento 40°SE es un plano que presenta una dirección de buzamiento de 120° y un buzamiento de 40°. Se tienen así dos formas de definir a una misma discontinuidad (N30°E/40°SE o 40°/120°). Capítulo 14. Discontinuidades 14-5 Notas Mecánica de Suelos y Rocas Edilma Lucía Gómez Paniagua Tabla 13.5. Ejemplos para conversión de buzamiento y dirección de buzamiento a rumbo y buzamiento Buzamiento/Dirección Buzamiento Rumbo/Buzamiento 40°/120° N30°E/40°SE 40°/300° N30°E/40°NW 40°/60° N30°W/40°NE 40°/240° N30°W/40°SW 14.4 REPRESENTACIÓN ESTEREOGRÁFICA DE DISCONTINUIDADES La orientación de las familias en relación con la obra que se proyecta condiciona la presencia de inestabilidad y roturas. Por esto, es importante tomar en campo tantas discontinuidades como sea posible desde el punto de vista práctico y analizar los resultados en oficina tratando de determinar tendencias generales, que suelen llamarse familias de discontinuidades. Para tal efecto se usan redes estereográficas. Una red estereográfica es una representación en dos dimensiones de una esfera en la que se pueden ubicar estructuras planares como fallas, fracturas, diaclasas, etc. Para esto basta con tener una buena medición del rumbo y el buzamiento de la estructura. En la denominada red de Wulff se pueden dibujar las estructuras como líneas que cortan la esfera, denominadas diagrama de círculo máximo. Se usa esta red cuando la cantidad de estructuras mapeadas no es demasiado alta, de tal manera que es fácil verlas en la red. Cuando se tienen demasiadas direcciones, caso más típico en análisis de estructuras para caracterización de macizos rocoso, es mejor utilizar el diagrama de polos, ya que este, permite identificar fácilmente concentraciones preferenciales (familias) de las estructuras. Se suele usar en este caso la denominada red estereográfica de Schmidt (Figura 14.5). Capítulo 14. Discontinuidades 14-6 Notas Mecánica de Suelos y Rocas Edilma Lucía Gómez Paniagua Figura 14.5. Red estereográfica de Schmidt La ubicación de una estructura determinada en la red estereográfica de Schmidt es como se muestra en la Figura 14.6. Se puede ver que en ella es posible ubicar tanto el círculo máximo de la estructura como el polo. En la Figura 14.7 se pueden observar los círculos máximos de algunas estructuras trazadas sobre la red estereográfica de Schmidt. Capítulo 14. Discontinuidades 14-7 Notas Mecánica de Suelos y Rocas Edilma Lucía Gómez Paniagua Figura 14.6. Ubicación de las discontinuidades en la red estereográfica de Schmidt Figura 14.7. Ejemplos de planos en la red estereográfica de Schmidt Cuando de estabilidad de taludes se trata, las familias de discontinuidades establecidas por medio de la red estereográfica de Schmidt se analizan en función de la orientación de las obras proyectadas, para determinar si es posible que se den inestabilidades por fallas planar, en cuña o volcamiento. Se puede producir falla de tipo planar cuando existe alguna familia de discontinuidades que sea paralela al talud y cuyo buzamiento sea menor que la inclinación de éste. Se produce entonces el deslizamiento de una porción del macizo rocoso en el talud a Capítulo 14. Discontinuidades 14-8 Notas Mecánica de Suelos y Rocas Edilma Lucía Gómez Paniagua través del plano de la discontinuidad. En la Figura 14.8 se muestra la forma típica de este problema, mostrándose a la derecha la forma en que se ve en la red estereográfica de Schmidt. Se considera que este problema puede darse incluso si la familia de discontinuidades no es del todo paralela al talud, aceptándose diferencias hasta de 20°. Discontinuidad Dirección Movimiento Talud Figura 14.8. Falla de tipo planar en la red estereográfica de Schmidt Se puede producir falla de tipo en cuña cuando existen dos familias de discontinuidades oblicuas entre si y cuya línea de intersección aflora en el talud con un buzamiento menor que la inclinación del talud. Se produce entonces el deslizamiento de una porción del macizo rocoso en el talud a través de la línea de intersección de las dos discontinuidades. En la Figura 14.9 se muestra la forma típica de este problema, mostrándose a la derecha la forma en que se ve en la red estereográfica de Schmidt. Discontinuidad 2 Discontinuidad 1 Talud Figura 14.9. Falla en cuña en la red estereográfica de Schmidt Se puede producir falla por volcamiento cuando existe una familia de discontinuidades que sea paralela al talud y cuyo buzamiento sea contrario a la inclinación del talud. En la Figura 14.10 se muestra la forma típica de este problema, mostrándose a la derecha la forma en que se ve en la red estereográfica de Schmidt. El problema puede darse Capítulo 14. Discontinuidades 14-9 Notas Mecánica de Suelos y Rocas Edilma Lucía Gómez Paniagua también cuando adicionalmente se tiene otra familia de discontinuidades también paralela al talud y de buzamiento mucho más bajo. En este último caso, se favorece el desconfinamiento de los bloques inferiores y con esto se favorece el volcamiento de los superiores. Discontinuidad Talud Figura 14.10. Falla por volcamiento en la red estereográfica de Schmidt 14.5 RESISTENCIA AL CORTE DE LAS DISCONTINUIDADES La resistencia de los planos de discontinuidad viene dada por el criterio de rotura de Mohr-Coulomb y se determina principalmente con base en el ensayo de resistencia al corte en laboratorio. La resistencia depende fundamentalmente de la fricción de los planos y en algo de la cohesión. Por su lado, la resistencia friccional se debe principalmente a la rugosidad o irregularidad de las paredes de la discontinuidad. Así las cosas, para las discontinuidades, suele hablarse tanto de la cohesión “c” como del ángulo de fricción interna “”, como parámetros que determinan su resistencia al corte. No obstante, se tienen criterios diferentes, un poco más refinados por tener en cuenta más propiedades de las paredes de las discontinuidades, tales como el de Patton de 1966. Este criterio habla de un modelo de rotura bilineal, de haciéndose referencia a un ángulo de fricción de la superficie “p”, el cual es igual a la suma de un ángulo de rugosidad “i” y del ángulo de fricción básico “b”. p i b El ángulo “i” el que forma la irregularidad con respecto al plano de la discontinuidad, normalmente variando entre 0° y 40°. El ángulo “b” suele oscilar entre 20° y 40°, de manera que el ángulo “p” suele variar entre 30° y 70°. Se habla de una componente bilineal, por cuanto la envolvente de resistencia puede variar en función del esfuerzo aplicado. Para bajos esfuerzos normales, se puede dar Capítulo 14. Discontinuidades 14-10 Notas Mecánica de Suelos y Rocas Edilma Lucía Gómez Paniagua algo de dilatancia (apertura o separación) de la discontinuidad, por lo que predominaría el ángulo “p”. Cuando el esfuerzo normal aumenta, se pueden romper los bordes angulosos de la discontinuidad, suavizándose las rugosidades, poniéndose en contacto las paredes de la discontinuidad, de manera que predominaría el ángulo “b”. Además del criterio de Patton mencionado, se tiene el criterio empírico de Barton y Choubey. 14.6 TRABAJO PERSONAL Sobre la red estereográfica de Schmidt traza las siguientes estructuras dadas algunas como rumbo/buzamiento y otras como buzamiento/dirección de buzamiento N45°E/12°NW, N0°E/30°E, N25°E/12°SE, 25°/130°, N0°E/20°W, N70°W/10°SW, 85°/210°, 10°/280°, 30°/60° y 20°/120°. Capítulo 14. Discontinuidades 14-11