GEOMECÁNICA DE ROCAS

MACIZO ROCOSO
El macizo rocoso es la forma en la que se presentan los diferentes tipos de rocas en el medio
natural, está definido tanto por la roca como la estructura(lo que involucra planos de
estratificación,fallas,pliegues y otras estructuras).Es el conjunto formado por matriz rocosa y por
discontinuidades.

Los macizos rocosos son de un carácter heterogéneo, comportamiento discontinuo y

normalmente presenta propiedades anisótropas o heterogéneas.

MACIZO ROCOSO=ROCA MATRIZ +ESTRUCTURAS

FIGURA 1 Hudson H.(2004)Definición ilustrativa de un macizo rocoso y su estructura

CARACTERÍSTICAS DEL MACIZO ROCOSO

• Composición litológica(de que esta constituido el macizo)
• La roca como todo material posee características físicas,químicas,mecánicas
que permiten definirlo y diferenciarlo.
• Condiciona el comportamiento en cuanto a de que tipo de material es el
macizo,que tipo de rocas la componen(ígneas,sedimentarias o metamórficas)

FACTORES DE LOS MACIZOS ROCOSOS

• Litología y propiedades de la matriz rocosa
 • Estructuras geológicas y disocntinuidades
• Grado de alteración o meteorización
• Condiciones hidrogeológicas

Litologías y
estratigrafías

Tensiones naturales o Discontinuidades:fractu

estados de esfuerzo in ración(tipo y
situ(estado tensional o frecuencia) y
de disocntinuidades
esfuerzos,movimientos, tectónicas o
El comportamiento
sismicidad) diagenéticas
mecánico de los
macizos rocosos
influyen además las
características rocosas
Estructura geológic
Estructuras geológicas sedimentaria,tectónica,
no discontinuas
v pliegues

Características
petrográficas y
propiedades de la
matriz rocosa

DEFINEN EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL MACIZO

ROCOSO
COMPOSICIÓN ORIGINAL:
• ESTADO:En que estado de conservación se encuentra el macizo rocoso
• Inalterado
• Alterado

ALTERACIÓN FISICOQUÍMICA
• Estructura primaria(estructura de la roca)
• Masivo
• Estratificado

ESTRUCTURA ORIGINAL
• Estructura secundaria(modificación de laestuctura original)
• Plegado
• Fracturado
 • Modificación de la estructura de origen

ESTRUCTURAS
ESTRUCTURA PRIMARIA
Es la estructura original del macizo,condiciona el comportamiento según el tipo de roca,ligada a
la composición litológica del macizo y también según la posición espacial en la que se encuentre
en relación con los esfuerzos que van a actuar sobre el,ya sea
estratificación,equistocidad,pliegues.

ESTRUCTURA SECUNDARIA
Modificación de la estructura original,condiona el comportamiento según la ubicación
relativa,frecuencia,disposición y características de las estructuras secundarias como
diaclasado,fracturación,fallamiento y la posición espacial los cuales son movimientos sufridos
desde su origen,en cuanto a su relación con los esfuerzos que van a actuar sobre el macizo.
MATRIZ ROCOSA Y MACIZO ROCOSO

Borselli L.(2000)Características relevantes de matriz rocosa y macizo rocoso

ROCA INTACTA
Elemento ya sea un trozo,bloque o probeta de roca(agregado sólido formado por uno o más
minerales)que no presentan discontinuidades observables(como
fallas,juntas,cavidades,estratificación,equistocidad,etc)

ENTONCES:

El macizo rocoso es la suma de roca

intacta y los planos de
discontinuidades

DISCONTINUIDADES
En la naturaleza los macizos rocosos presentan disocntinuidades en un número elevado,por
lo que si se quiere analizar el comportamiento mecánico de los macizos rocosos debemos
analizar primero el comportamiento de las discotinuidades naturales.
Las discontinuidades son cualquier plano ya sea de origen mecánico o sedimentario que
presenta un macizo rocoso.con una resistencia a la tracción nula o muy baja por lo que
genera un comportamiento no continuo en la matriz rocosa.

Entonces las discontinuidades son las que definen la fábrica estructural del macizo rocoso.

TIPOS DE DISCONTINUIDADES
• Diaclasas
• Planos de estratificación
• Fallas
• Zonas de contacto entre distintas formaciones geológicas
• Zonas de concentración de esfuerzos de corte

CARACTERÍSTICAS DE LAS DISCONTINUIDADES

• Rugosidad
• Orientación
• Ondulación
• Separación
• Meteorización
• Apertura
• Existencia de material
• Persistencia
de relleno
• Características de las superficies de
• Humedad natural
contacto
PARÁMETROS DE DESCRIPCIÓN DE DISCONTINUIDADES

1.ORIENTACIÓN:Viene a ser la posición espacial y esta se da

tanto con el rumbo y el buzamiento de la superficie de
discontinuidad. La orientación de las discontinuidades con
respecto a las cargas aplicadas puede ser crítica para la
estabilidad o la deformabilidad.La filtración de agua
también depende de la orientación

2.APERTURA Y SEPARACIÓN:

La apertura es la distancia entre las dos caras de una fractura, la separación es la distancia entre
dos planos de discontinuidad de una misma familia.

Tanto la apertura como la separación controlan las propiedades del macizo que están en
relación al movimiento de agua, las aperturas grandes facilitan el movimiento de agua y el
relleno de las mismas por materiales de aportación.

Algo importante es que el espaciamiento aparente el que se muestra en la superficie de la

roca,por lo general es mayor que la real.

3.PERSISTENCIA:Viene a ser la longitud de la traza de una

discontinuidad en un determinado afloramiento. Indica si
la fractura es persistente o está formada por pequeñas
fracturas unidas por roca intacta. Una fractura
persistente es más deformable y débil que las pequeñas
unidas por puentes de roca,cuando hay persistencia se
garantiza lo que es el flujo de agua a través de la masa.

CARACTERÍSTICAS DE LAS SUPERFICIES DE CONTACTO

4.RUGOSIDAD:Se hace mención a la rugosidad de la
superficie y a la ondulación de la discontinuidad
porque ambos afectan la resistencia del macizo
rocoso.Una alta rugosidad aumenta la resistencia a la
fricción.

JRC: JOINT ROUGHNESS COEFFICIENT

5.RESISTENCIA DE LAS PAREDES DE DISCONTINUIDAD:Es la resistencia a la compresión
inconfinada,puesto que es una buena medida de alteración de las paredes de la discotinuidad.La
resistencia aumenta con la presencia de dientes de roca en la disocntinuidad.

6.RELLENO:Hace referencia al material que está entre las paredes de las discontinuidad,en la
mayoría de los casos el relleno es más blando que el macizo rocoso.Un parémtro importante en
el material de relleno es su grado de cementación

7.FLUJO:Es el agua que está presente en la discontinuidad que se puede encontrar libre o en
movimiento.Se describe por el caudal,y lo que se debe evaluar es si el agua brota o no con la
presión.

8. NÚMERO DE FAMILIAS PRESENTES: Es lo que indica el grado de fracturamiento del macizo

rocoso y depende de la dirección tanto como el tipo de esfuerzos. El menor número de familias
en un macizo es tres, también las familias presentan características distintivas, no solamente en
dirección y espaciamiento sino también en condiciones de relleno, caudal e incluso edad y tipo
de esfuerzos que la origina.

9. TAMAÑO DE BLOQUES: El que se cuantifica con algunas metodologías específicas. Deben

identificarse además los bloques críticos(los cuales sonaquellos que tienen tamaños finitos y
posibilidad de desprenderse)

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS DISCONTINUIDADES

El aspecto principal que condiciona el comportamiento mecánico de una discontinuidad es su
resistencia al corte,pero también influyen parámetros como la deformación,la rigidez cortante
y la dilatancia.

La resistencia a tracción perpendicular a las paredes de una discontinuidad se puede considerar

nula.
Los factores principales que intervienen en una reacción de una discontinuidad frente a un
esfuerzo de tipo cortante son:

• Las tensiones normales al plano de corte

• La rugosidad de la superficies de contacto
• El grao de alteración y resistencia de los labios de la discontinuidad
• El espesor y el tipo de relleno
• La circulación de agua y el grado de saturación del relleno
• La orientación del desplazamiento de corte
• La velocidad del movimiento cortante
• La amplitud del desplazamiento de corte y la existencia de desplazamiento cortantes
previos.

DISCONTINUIDADES LISAS
En una discontinuidad totalmente lisa ,sin relleno y cementada,si se talla un bloque de la misma
y se realiza un ensayo de corte,con tensión normal cortante,se representa la evolución de la
tensión cortante que se aplicó y el desplazamiento cortante,se presenta la siguiente gráfica,hay
que tener en cuenta que para este ensayo se ha aplicado una tensión normal
perpendicularmente a la discontinuidad.

Al comenzar a aplicar la tensión de corte se irá

produciendo un ligero desplazamiento
cortante elástico que irá aumentando de
manera proporcional a la tensión hasta
alcanzar un valor máximo de tensión
cortante,lo que se denomina resistencia de
pico de la discontinuidad 𝜏𝑝 para la tensión
normal aplicada.La pendiente de esta línea es
la denominada rigidez cortante.

Una vez que se alcanzó el máximo,la respuesta tensional de la discontinuidad irá disminuyendo
hasta alcanzar un valor mínimo en el que se produce el deslizamiento indefinido del
bloquesuperior de la discontinuidad sobre el inferior.

Este valor de tensión será la resistencia al corte residual de la discontinuidad para la tensión
normal aplicada.
La resistencia al corte de pico de la discontinuidad vendrá representada por la expresión:

𝜏𝑝 = 𝑐𝑝 + 𝜎𝑛 . tan ∅𝑝

Mientras que la resistencia al corte residual se podrá representar por la expresión:

𝜏𝑟 = 𝜎𝑛 . tan ∅𝑟

En este caso la cohesión será nula puesto que una vez superada la resisencia de pico se pierde
el efecto cohesivo del material cementante

Resistencia al corte de pico y residual para una discontinuidad plana y cementada

Como en el caso anterior tenemos que forma un ángulo i con la horizontal,los valores de tensión
cortante y la tensión normal que actúan sobre la discontinuidad se pueden calcular así:

𝜏𝑖 = 𝜏. cos 2𝑖 − 𝜎𝑛 . sin 𝑖 . cos 𝑖

𝜎𝑛𝑖 = 𝜎𝑛 . cos 2𝑖 − 𝜏. sin 𝑖 . cos 𝑖

La resistencia al corte de este ensayo sobre una disocntinuidad no cementada e inclinada se

podría representar por:

𝜏 = 𝜎𝑛 . tan(∅ + 𝑖)
La inclinación de la junta con respecto a la fuerza de corte aplicada produce un aumento o
disminución en el ángulo de fricción igual que el ángulo de la inclinación

DISCONTINUIDADES SIN RELLENO:

Una discontinuidad rugosa con asperezas regulares y con un ángulo de inclinación i tuvo ensayos
de corte comprobando así que a bajas tensiones normales las resistencias al corte de las
muestras podría representarse por la expresión:

𝜏 = 𝜎𝑛. tan(∅𝑏 + 𝑖)

Donde ∅𝑏 es el ángulo de friicón basico de la superficie lisa y sin meteorización.

Para tensiones normales más elevadas,la resistencia del material intacto será alcanzada y los
dientes de la discontinuidad tenderán a romperse dando así lugar a un comportamiento
resistente más relacionado con la resistencia del material rocoso intacto que con las superficies:

DISCONTINUIDADES CON RELLENO

El comportamiento de una disocntinuidad rellena sería
diferente en función de la relación entre la amplitud de
la aspereza máxima que se encuentra en la
discontinuidad y el espesor del relleno máximo.Así
cuando esta relación es muy elevada el
comportamiento se aproximaría al descrito mediante
las técnicas de Barton.A medida que la relación
disminuye el comportamiento resistivo de la
discontinuidad va disminuyendo y se va acercando al
del material del relleno.
CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS DE LOS MACIZOS
ROCOSOS
CLASIFICACIÓN RMR DE BIENIAWSKI

• Rock Mass Rating

• Proporciona un índice RMR, indicador de la calidad de la masa rocosa, entre 0 y 100
• El cálculo del RMR se basa en cinco conceptos:
– Resistencia de la roca matriz
– Integridad de un testigo perforado (RQD)
– Existencia de agua – Separación de juntas y fisuras
– Características de las juntas

RESISTENCIA DE LA ROCA MATRIZ

INTEGRIDAD DE UN TESTIGO PERFORADO

RQD: "Rock Quality Designation"

Es el porcentaje de longitudes del testigo superiores

a dos veces el diámetro (Históricamente el RQD en
por si mismo ha sido utilizado también como indice
geomecánico)

CONDICIONES DE AGUA EN EL TERRENO

SEPARACIÓN DE JUNTAS Y FISURAS

CARACTERÍSTICAS DE LAS JUNTAS

CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA FINAL

MODELO DE BARTON
En el caso de la clasificación de Barton los parámetros que no se consideraron no adecuados
fueron:las características del agua subterránea y el estado tensional.

• JRC : joint roughness coefficient

 • JCS: joint wall compression strength
• Si los planos de discontinuidad no estan alterados o meteorizados, entonces JCS = q u
(resistencia a la compresión simple de la roca matriz)

La ecuación de Barton no viene dada en terminos de c y ∅,por ello es necesario para algunos
cálculos estimar la cohesión y el angulo de fricción equivalentes

INTERPRETACIÓN DE LA ECUACIÓN DE BARTON:

Sugiere que la resistencia al corte presenta 3 componentes básicos:

• Componente de fricción residual dado por el ángulo de fricción residual

• Componente geométrica regulada por el coeficiente de rugosidad de juntas JRC
• Componente que tiene en cuenta la posible rotura de las asperezas controlada por la
relación entre la resistencia a compresión simple de los labios de disocntinuidad JRC y
la tensión normal aplicada.

Esto obedece a que cuando la junta es plana o poco rugosa la resistencia del material de los
labios apenas influye sobre la resistencia de la junta.

Mientras que en discontinuidades muy rugosas su influencia es muy grande tal y como lo
demuestran los gráficos obtenidos por la aplicación de manera directa de la fórmula de Barton.
CLASIFICACIÓN GSI(GEOLOGICAL STRENGHT INDEX)
El GSI es un índice de calidad de los macizos rocosos que se desarrollo pensando en un criterio
de rotura que se relaciona con una clasificación geomecánica,el cual aparte del RMR presenta
dos parámetros que imtervienen los cuales son:

• Las condiciones del agua subterránea

• Orientación de la estructura geológica

La clasificación GSI se bada en una cuidadosa observación del macizo rocoso y por lo tanto es
escencialmente cualitativa.

Este índice incorpora la estructura del macizo rocoso y además las características geomecánicas
de las superficies de discontinuidad existentes en el y se obtienen a partir de un examen visual
del macizo rocoso en ls afloramientos y sondeos.

El GSI combina los dos más importantes aspectps del comportamiento de macizos rocosos:la
fracturación,osea el tamaño y la forma de los bloques y la resistencia al corte de las
discontinuidades.

Indice de resistencia geológica para macizos rocosos fracturados

 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• Hudson, J.A., Harrison J.P. Engineering Rock Mechanics., Chap 7.
• Goodman, R.E. Introduction to Rock Mechanics. John Wiley & Sons, New York
• Chernyshev, S.N. and Dearman, W.R. Rock Fractures. Butterworth-Heinemann,
London
• Hudson/Harrison capitulos 1, 2, 11 (en parte),12 - Goodman, capitulos 1, 2
• Bandis S.C.(1990)Mechanical properties of nrock joints
• Barton N.(1974)Review of a new shear strength criterion for cok joints
• Fardin y Bandis(1990)Heterogeneity and anisotropy of roughness of rock joints