Capítulo 7 EL MATERIAL ROCOSO

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1 Capítulo 7 EL MATERIAL ROCOSO DEFINICIÓN Y CARACTERISTICAS 1. INTRODUCCION Se llama material rocoso a la sustancia rocosa misma como fragmento, sin considerar el efecto de las discontinuidades estructurales ni los esfuerzos in situ. En el macizo rocoso en tanto consideramos la masa en conjunto: material y discontinuidades, en su condición natural. Un trozo de granito, un bloque de arenisca o un núcleo de perforación de cualquier tipo de roca, constituyen ejemplos de material rocoso; en tanto que la masa de roca expuesta en una excavación subterránea que expone planos de diaclasas, brechas de falla o cualquier otro elemento geológico, junto con los esfuerzos que actúan a su alrededor, constituyen un macizo rocoso. Las propiedades físicas y el comportamiento esfuerzo-deformación del material rocoso dependen de la litología, es decir, la composición química y la textura, siendo esta última la característica más importante. Para comprender completamente el comportamiento de las rocas en las obras de ingeniería deberá complementarse los aspectos aquí tratados, con los referentes a la meteorización, la influencia de las discontinuidades, el flujo de agua y el estado de esfuerzos en el ambiente real de los proyectos. Naturalmente para que se pueda entender el comportamiento de las masas rocosas, es necesario comprender en primer término todos los elementos que lo integran. Existen además muchas otras razones para entender el comportamiento del material rocoso: a) En el caso de rocas blandas o de altas concentraciones de esfuerzos en las masas rocosas, son las propiedades del material rocoso las que gobiernan el comportamiento de las masas rocosas. b) En el caso de la utilización de las rocas como materiales de construcción, su uso depende fundamentalmente de la textura y composición del material rocoso. c) Varios problemas específicos tales como la durabilidad y alterabilidad de las rocas, su perforabilidad, su excavabilidad etc., dependen en gran medida de las características del material rocoso. d) Finalmente, el rango de variación en las propiedades físicas y mecánicas de las rocas en general, se puede correlacionar de manera relativamente fácil en el nivel del material rocoso, ya que en las masas rocosas las discontinuidades y otros aspectos relacionados, hacen más difícil plantear clasificaciones sistemáticas, por la forma errática y aleatoria como influyen. 2. FACTORES DESCRIPTIVOS DEL MATERIAL ROCOSO Las siguientes características se tienen en cuenta en el estudio del material rocoso: a) Litología Se refiere a la composición química y mineral de la roca y su textura. 111

2 En cuanto a la composición de las rocas el factor que más influye en el comportamiento de las rocas en obras de ingeniería es el grado de homogeneidad mineral, en el sentido de que la roca presente o no una mezcla de minerales relativamente débiles y fuertes. Si existe tal mezcla, la roca bajo carga, desarrolla una fase plástica antes de fallar; de lo contrario su falla es de tipo frágil, siempre y cuando los granos sean resistentes. El granito y la cuarcita, constituyen respectivamente buenos ejemplos. En relación con la textura y fábrica, la textura se define como el tamaño, forma y distribución de las partículas minerales en las rocas; la fábrica se restringe al modo característico de articulación de las partículas (aglutinamiento, consolidación o cristalinidad) y a su posible orientación preferencial. Se presentan cuatro tipos de fábrica: 1) Cristalina masiva. La roca posee cristales sin orientación preferencial perfectamente entrabados, íntimamente juntos, con una fuerte articulación mecánica. Las rocas ígneas en general, tanto plutónicas como volcánicas, así como las metamórficas masivas y muchas de las sedimentarias no clásticas como la caliza o el chert son de esta clase. Rocas con este tipo de fábrica son las más resistentes y menos deformables. Sin embargo la resistencia es algo dispersa en las rocas volcánicas efusivas (ej: andesita, basalto), debido a que éstas últimas son algo porosas. Las calizas tipo micrita, entre las sedimentarias no clásticas y la cuarcita (metamórfica) se comportan de manera similar a los granitos. 2) Cristalina foliada. Esta textura es propia de las rocas metamórficas foliadas. Los cristales están entrelazados y orientados preferentemente, con poco entrabamiento mecánico. La orientación preferencial de los cristales, imparte en estas rocas marcada direccionalidad de sus propiedades mecánicas, por lo cual son más débiles en la dirección de la foliación. 3) Clásticas cementada. Los granos minerales son gruesos (arena, y grava), presentan grados variables de empaquetamiento y se aglutinan con cementos minerales de diferentes calidades. Los granos por lo general no están orientados salvo en las variedades con abundante mica y/o arcilla. Las areniscas, los conglomerados y las brechas presentan este tipo de fábrica. La resistencia de estas rocas es muy variable: las más resistentes y menos deformables corresponden a las que presentan el mejor empaquetamiento de sus granos y están cementadas con sílice. 4) Clástica consolidada (lutitas). En las rocas de este tipo, que poseen grano fino (tamaño limo y arcilla), los granos minerales se mantienen unidos por fuerza físico-eléctricas generadas en el proceso de litificación, el cual se alcanza gracias a la compactación y/o consolidación de las partículas, con alguna influencia de la cementación. A mayor grado de consolidación la roca es más resistente y menos deformable. Existen dos variedades dentro de esta fábrica: la consolidada laminada (shales) y la nó laminada (arcillolita, limolita, argilita). El la lutita laminada la roca posee más del 10% de láminas (capitas de menos de 1 cm de espesor), lo cual transmite a la roca alta direccionabilidad de sus propiedades mecánicas. (Tabla I) 112

3 Tabla I FÁBRICA DE LAS ROCAS CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS POR SU FÁBRICA Cristalina masiva (CM) Ejemplos: Granito Cuarcita Caliza cristalina Rocas de cualquier origen, con cristales fuertemente entrabados. Entre las ígneas, las plutónicas son más uniformes en su calidad, con alta resistencia y mínima deformabilidad; las volcánicas (lavas y piroclástos) pueden poseer alta porosidad y su rango de calidad es variable 1. Entre éstas últimas las diabasas son muy poco porosas y poseen la calidad más uniforme entre todas las rocas ígneas. La resistencia de la caliza micrita (sedimentaria) y la cuarcita (metamórfica) es comparable a la del granito. Cristalina foliada (CF) Ejemplos: Pizarra Filita Esquisto Rocas metamórficas con cristales entrelazados y orientación preferencial, lo cual les imparte a estas rocas direccionalidad en las propiedades mecánicas. Son también muy resistentes y poco deformables pero su calidad es algo variable; dependiendo de que las su resistencia se solicite en la dirección de la foliación (menos resistentes y deformables) o perpendicularmente a ésta (más resistentes y deformables.) Clástica cementada (CCe) Ejemplo: ARENISCA Clástica Cementada (Cco) Ejemplo LUTITA Sedimentarias de la fracción gruesa (SFG), con calidad muy abierta; ninguna roca de este grupo comparte la calidad de las mejores rocas cristalinas masivas. Su calidad es mejor si está cementada con sílice y los clastos están empaquetados de forma muy densa. Pueden presentar direccionalidad de las propiedades mecánicas, en el caso de contener micas, hidromicas o láminas de arcilla. Sedimentarias de la fracción fina (SFF), con calidad muy abierta; ninguna roca de este grupo comparte la calidad de las mejores rocas cristalinas masivas. Su calidad depende del contenido de arcilla, grado de consolidación diagenética y de la calidad del cementante. La lutitas arcillosas menos consolidadas son las de más baja calidad. Montero 2004 Se pueden hacer algunas consideraciones generales sobre la influencia de la fábrica en el comportamiento mecánico de la rocas: o Las rocas con fábrica cristalina masiva y foliada son las más resistentes y menos deformables que las de fábrica clástica cementada y consolidada. o Entre las rocas ígneas, todas con fábrica cristalina masiva, las plutónicas poseen una calidad más uniforme que las volcánicas, estas últimas con alguna 1 La diabasa (roca volcánica), posee la más alta resistencia entre las ígneas; el basalto y las andesita son de calidad variable. 113

4 proporción de vidrio y porosidad variable. Esta última característica imparte en las rocas efusivas una mayor dispersión de la calidad. o Entre las rocas sedimentarias de fábrica cristalina masiva, las calizas del tipo micrita son las de mejor calidad, en tanto que el chert puede ser algo poroso y estar contaminado con arcilla en (plaener o porcelanita) o Por otro lado las rocas laminadas y foliadas son mucho más débiles en la dirección de la laminación o la foliación a la vez que menos deformables cuando se cargan en esa dirección. o El tamaño del grano parece influir solamente en las rocas ígneas: la diabasa por ejemplo, que posee grano fino, es comparativamente más resistente que el gabro o la diorita que poseen grano grueso. En cambio en las areniscas es más importante el empaquetamiento de los granos que su tamaño relativo. A mayor empaquetamiento, menor porosidad (mayor contacto entre las partículas minerales). Esto se traduce en mayor resistencia y menor deformabilidad. b) Condición de las Rocas. Se refiere al estado de degradación química o mecánica en que se encuentre una roca, por meteorización o por excesiva fracturación o cizallamiento en zonas de falla, respectivamente. Estos dos aspectos factores se reconocen como: grado de meteorización y rasgos de esfuerzos de origen mecánico. Grado de meteorización Es evidente que entre mayor sea el grado de meteorización la roca es más débil, a la vez que más porosa y menos densa. Presencia de rasgos especiales de debilidad. Las rocas expuestas en zonas de falla, se presentan muy fracturadas y cizalladas, razón por la cual se degradan mecánicamente de manera apreciable Las rocas dentro de estas zonas de esfuerzos son naturalmente más débiles y por lo general presentan planos preferenciales de rotura, que se reconocen por su textura suave especular y a veces estriada (espejos de falla). 3. PROPIEDADES ÍNDICE Como consecuencia de la génesis de las rocas, la cual se revela en su litología y condición, las rocas poseen un conjunto de características de comportamiento propiedades de comportamiento que permiten clasificarlas en ingeniería (propiedades índice) entre las cuales se cuentan las que se relacionan con su densidad: porosidad y contenido de humedad; con su resistencia y con su degradabilidad. Con su densidad se relacionan la porosidad y en contenido natural de humedad. Porosidad Es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen total de una roca y se relaciona con su textura, por lo menos en lo que se refiere a la porosidad de vacíos subesféricos intergranulares conocida como porosidad de poros n p. Es muy baja en el caso de las rocas cristalinas en estado fresco, salvo algunas variedades porosas de lavas y 114

5 ampliamente variable en las clásticas. Si se tiene en cuenta que la resistencia de las rocas se incrementa proporcionadamente con la mayor área superficial de contacto- la resistencia se transmite en los contactos entre las partículas minerales- es evidente que las rocas menos porosas son más resistentes y menos deformables. Por su parte la porosidad de fisuras n f aunque generalmente baja, afecta enormemente la calidad de las rocas ígneas. Contenido natural de humedad En general entre mayor sea la absorción porcentual de una roca, menor será su resistencia y las rocas en estado de saturación,- particularmente las lutitas- son más débiles. En este último caso existe el problema adicional de la reacción de minerales expansivos y de su baja permeabilidad que incrementa la subpresión en los poros. Según Krynine la resistencia decrece hasta en un 12% para los granitos y un 20% para las areniscas, cuando se saturan. A este respecto téngase en cuenta la relación directa que existe entre la porosidad y la absorción. Las propiedades que tiene que ver con su resistencia se enuncian y explica en el siguiente capítulo. En cuanto a la degradabilidad, esta propiedad se relaciona con la durabilidad, propiedad que en ingeniería tiene que ver con la capacidad de los materiales pétreos usados en obras de ingeniería para resistir adecuadamente la acción del clima para todo el tiempo que debe durar una obra, por ejemplo la roca triturada que se usa en la construcción de los pavimentos. A este respecto las lutitas y otras rocas arcillosas, cuando no están bien cementadas, son muy poco durables en las capas del pavimento. Con respecto a la durabilidad, las lutitas se clasifican en dos grupos: las lutitas tipo roca como las limonitas silíceas y las lodolitas y shales cementadas con sílice o calcita, que se comportan bien en cimentaciones excavaciones y como material de construcción (pavimentos, concretos, otras estructruras); y las lutitas tipo suelo como las arcillolitas y shales arcillosos, que se degradan en muy poco tiempo en presencia del agua (ciclos de humedecimiento-secado) provocando daños irreparables en las estructuras y en las cimentaciones, o causando deslizamientos y otros movimientos. La manera como se evalua la durabilidad en el laboratorio se explica en el siguiente capítulo. 3. CRITERIOS DE CLASIFICACION La finalidad de la clasificación de las rocas debe ser distribuirlas en grupos que posean un comportamiento similar. Pese a que la clasificación litológica basada en la textura y composición, tiene un propósito científico ajeno a las necesidades del ingeniero, es de aceptación general que la litología constituye una característica útil para clasificar las rocas en ingeniería, si se usa de un modo conveniente y si se tienen en cuenta algunos aspectos complementarios. 115

6 Según lo propuesto por D.U. Deere 2 el material rocoso puede clasificarse con base en la Resistencia a la Compresión Inconfinada y el Módulo Relativo. ( Se remite el alumno a la lectura del artículo de Deere). 1.- ROCAS IGNEAS INTRUSIVAS O PLUTÓNICAS ( EJEMPLO: GRANITOS, GRANODIORITAS, DIORITAS, GABROS ETC). En general están integradas por cristales de tamaño grueso relativamente uniformes, fuertemente entrabados (fábrica cristalina masiva), con porosidad de vacíos subesféricos n p y de fisuras n f muy reducidas. b) Resumen de características dominantes. El fuerte entrabamiento de cristales relativamente rígidos trae como consecuencia una porosidad de poros n p muy reducida (puede variar de 0.5 a 1.5 en la roca fresca) y en consecuencia alta resistencia y digidez. La roca se comporta elásticamente bajo carga, pero si hay demasiadas fisuras, en la parte inicial de la curva esfuerzo-deformación correspondiente, se puede presentar una ligera concavidad. En el caso de rocas plutónicas moderadamente descompuestas, se mezclan cristales fuertes (ej. Cuarzo) con cristales relativamente débiles (ej. Feldespato descompuesto). Cuando estas rocas se someten a carga en un ensayo de compresión se puede presentar deformación plástica antes de la falla y ésta se desarrolla de un modo progresivo. c) Comportamiento general. Las rocas ígneas intrusivas poseen una resistencia a la compresión generalmente alta (un poco menor en las variedades de grano más basto) y un módulo relativo 3 medio. Su comportamiento es elasto-plástico, principalmente en las variedades silíceas. 2.- Rocas Igneas Extrusivas. En general se consideran dos variedades: las piroclásticas, por lo general porosas y de baja densidad y las masivas de alta densidad pero eventualmente porosas. El tamaño de los cristales es más pequeño que en el caso de las rocas intrusivas- grano fino- y pueden contener una proporción relativamente alta de vidrio. b) Resumen de características dominantes: b-1) Piroclásticas. Bajo carga de falla se produce a través de las paredes entre los poros y a lo largo de zonas débiles. Si los poros son lo suficientemente espaciados las paredes son gruesas y si además no hay fracturas, la resistencia es relativamente alta y su comportamiento de tipo elástico. Si las paredes son delgadas y además hay fracturas, la roca presenta baja resistencia y su comportamiento es plástico. 2 STAGG-ZIENKIEWICZ, Mecánica de Rocas en la Ingeniería Práctica.Capítulo 1 (consideraciones geológicas, escrito por D. U Deere 3 Módulo relativo medio: relación entre el módulo elástico tangente en el 50% de su resistencia y la resistencia a la compresión simple 116

7 Si hay mezcla de minerales débiles con fuertes (principalmente en el caso de rocas con poco cuarzo), en las rocas resistentes de esta clase se puede presentar una fase plática antes de la falla. b- 2) Masivas. Debido al entrabamiento de cristales rígidos, la resistencia es alta a muy alta. Estas rocas por lo general poseen baja porosidad a causa de lo cual se deforman elásticamente; sin embargo, algunas variedades de basaltos y otras lavas pueden comportarse plásticamente a causa de que desarrollan porosidades relativamente altas en su proceso de formación. En las variedades donde no se mezclan cristales débiles y fuertes, la falla es por lo general de tipo frágil. c) Comportamiento General. Las rocas piroclásticas presentan una resistencia generalmente media a baja y un comportamiento más bien plástico. Las extrusivas masivas varían en su resistencia de media a muy alta, con un módulo relativo medio. Estas variaciones son debidas más que todo a diferentes porosidades. Por lo general su comportamiento esfuerzo-deformación es del tipo elástico, para las variedades más comunes; basaltos, diabasas y andesitas. ROCAS SEDIMENTARIAS CLÁSTICAS El comportamiento general de estas rocas en cuanto a sus propiedades físicas y mecánicas varía enormemente, así como su carácter genético. Con sentido práctico podemos considerar dos grupos: las rocas clásticas y las rocas químicas. En el primer grupo se incluyen todas aquellas rocas integradas por granos, es decir pequeños fragmentos minerales de tamaño y forma variada, generalmente unidos con algún cemento mineral. Cuando los fragmentos son de tamaño arena, o más gruesos, la calidad de la roca depende de la gradación y empaquetamiento ( lo cual se refleja en la porosidad) y la proporción y calidad del material cementante. La calidad del cemento decrece según sea este silíceo, calcáreo, ferruginoso o arcilloso. Si los fragmentos son de tamaño limo o arcillas (lutitas) la calidad depende fundamentalmente del grado de consolidación diagénetica. La resistencia de las variedades poco consolidadas (limolita, lodolita y arcillolita) es un poco inferior, respecto de las de las variedades más consolidadas (shale lodoso y shale arcilloso). Las argilitas, de mayor consolidadción diagenética, se consideran rocas de transición al metamorfismo. b) Resumen de características dominantes de las rocas clásticas. b-1- Clastos gruesos (areniscas, conglomerados). Entre mejor gradación y empaquetamiento más denso, la roca es más resistente. Esta característica se refleja en la porosidad la cual varía para las areniscas entre 2% y el 20%. 117

8 La proporción y calidad del cemento influyen de manera tan importante como la gradación y el empaquetamiento. Generalmente las rocas clásticas silíceas son las más resistentes y rígidas y su calidad decrece un poco en el caso del cemento cálcareo o ferruginoso y bastante en el caso de otros tipos de cemento. b-2 ) Clastos finos (lutitas). Al aumentar la fracción arcillosa en las rocas clásticas se acentúa su comportamiento plástico. Incremento en el contenido de arcilla, mica u otros minerales laminares producen efectos direccionales en la resistencia y deformabilidad, aunque no tan acentuados como en las rocas metamórficas tipo esquistos o filita, por ejemplo. Obviamente que las lutitas tipo shale se cuentan dentro de las rocas con un comportamiento anisotrópico relativamente importante. Las lutitas mejor cementadas corresponden a las más durables en ingeniería c) Comportamiento General. Las areniscas cubren toda la gama de resistencias, desde muy baja para las de alta porosidad y deficiente cemento, hasta muy alta para las cuarcitas de baja porosidad. Las lutitas varían en su resistencia dependiendo de su edad y consecuentemente su grado de consolidación. Las terciarias de baja consolidación poseen una resistencia que varía de muy baja a baja, en tanto que las cretáceas y paleozóicas, de alta consolidación, pueden tener una resistencia variable entre baja y media. Por su parte las argilitas poseen por lo general resistencia media. Las características de deformabilidad de las rocas clásticas son muy variables: las rocas con mejor empaquetamiento, con más cantidad de cuarzo y mejor cementaciónconsecuentemente menos porosas- tienen un comportamiento elástico o elasto-plástico, en comparación con las de mineralogía heterogénea (minerales débiles y fuertes), mal gradadas y más porosas, que tienen un comportamiento preferiblemente plástico. El módulo relativo es generalmente de tipo medio a bajo para las areniscas y bajo para las lutitas. Las calizas clásticas presentan una calidad ligeramente superior a las de las areniscas, pero su módulo varía entre el elevado y medio. Su calidad puede desmejorar a causa de la tendencia a la disolución. ROCAS SEDIMENTARIAS QUÍMICAS Las calizas y las liditas, se forman a partir de precipitados químicos, con lo cual su fábrica es de tipo cristalino (en este caso se refiere a las calizas de tipo cristalino). A causa de su textura entrabada con efectos semejantes que en las rocas ígneas, la calidad de estas rocas sedimentarias es más uniforme y ligeramente superior al de las rocas clásticas de mejor calidad. Algunas liditas presentan porosidad relativamente alta debido a lixiviación de fósiles, lo cual es muy frecuente. En este caso su calidad desmejora. En el caso de la sal y el yeso (evaporitas), si bien se trata de rocas cristalinas su resistencia es baja y su fase plástica relativamente extensa, debido a que la sustancia cristalina mineral es relativamente débil en comparación con el carbonato de alcio de las calizas. b) Resumen de características dominantes. 118

9 Al disminuir los tamaños de los cristales se incrementa la resistencia. La mejor calidad de esta roca sedimentaria se debe a la fábrica entrabada. La disolución produce problemas de debilitamiento interno y disminución en la calidad. Impurezas de arcillas u otros minerales producen el mismo efecto. c) Comportamiento. 1- Las calizas por lo general poseen resistencia alta a muy alta (calizas cristalinas) y presentan un comportamiento relativamente elástico y un módulo que varía entre medio y elevado. 2- Las evaporitas presentan una resistencia baja y un módulo relativo medio. Se conoce muy poco sobre el comportamiento mecánico de las liditas si bien su calidad puede ser semejante a las de las calizas sólo que son más frágiles. ROCAS METAMORFICAS Su comportamiento geomecánico es generalmente más uniforme en el caso de las variedades masivas (cuarcita, neis, mármol) que en el caso de las variedades foliadas (filitas y esquistos). Las rocas del primer grupo poseen una calidad semejante al de las roas ígneas intrusivas en tanto que las del segundo grupo se asemejan un poco más a las rocas sedimentarias, aunque dentro de un rango de calidad más estrecha y ligeramente superior. b) Resumen de las características dominantes. Bajo moderado metamorfismo de rocas sedimentarias, mejora las características de cementación de la roca original así como su rigidez. Especialmente en el caso del bajo metamorfismo (pizarras, filitas, algunos mármoles, antracita, algunas cuarcitas). Moderado a alto metamorfismo produce la clase recristalización y minerales nuevos dando lugar a foliación y bandeamiento ( algunas cuarcitas y mármoles, esquistos y anfibolitas). c) Comportamiento. Las variedades masivas de alto grado de metamorfismo (cuarcitas y neis) poseen resistencias que varían de alta a muy alta y módulo relativo medio, los mármoles en general presentan resistencia media y módulo relativo elevado, a causa de su fragilidad. Por su parte las rocas foliadas presentan una calidad variable: su resistencia varía de muy baja a alta y su módulo relativo entre bajo y elevado, dependiendo de su grado de metamorfismo y el defecto direccional. El estudiante puede analizar este último factor un poco más detenidamente en la Tabla de Clasificación correspondiente. 119