PROPIEDADES DE LA ROCA MATRIZ 4.1. Introducción (Temas 4 y 5) MACIZO ROCOSO (Tema 5) Tema 4 ROCA MATRIZ (Tema 4) DISCONTINUIDADES (Tema 5) Factores geológicos que influyen las propiedades de un macizo rocoso: 1. Roca matriz (roca sin significantes fracturas) Propiedades básicas (γ, n, k, etc.) Propiedades geomecánicas ( σ ε ) 2. Geología estructural o discontinuidades Pliegues Diaclasas Fallas Fisuras Fracturas 3. In-situ tensiones o tensiones preexistentes Naturalmente aplicadas Aplicadas por construcciones (presa, túnel...) 4. Presiones del fluido de poro y flujo de agua Permeabilidad Tensiones efectivas 5. Influencia del tiempo Macizo rocoso (equilibrio) vs. obra (cambio muy rápido) Alteración y meteorización
Control geológico de las propiedades de la matriz rocosa y del macizo rocoso: Tema 4 Propiedades de la matriz rocosa y métodos para su determinación:
4.2 Propiedades básicas de la roca matriz 4.2.1 Propiedades de identificación y clasificación Composición mineralógica Rocas ígneas (intrusivas extrusivas) Rocas sedimentarias (caliza, arenisca, conglomerado) Rocas metamórficas (gneis, pizarra, esquisto) Alteración / meteorización física química Clasificación textural (tamaño de grano) Rocas con textura cristalina caliza, granito, basalto Rocas con textura clástica areniscas, conglomerados Rocas masivas (de granos finos) esquistos, pizarra Rocas orgánicas carbón Fábrica Color
Peso específico: Peso específico natural: Peso específico saturado (S r = 1): Peso específico seco (S r = 0): γ Wt γ n = Vt W t ( sat.) = Vt W t (sec o) γ d = V sat t Densidad seca (Goodman 1989): Densidad seca (g/cm3) Nepheline syenite 2.7 Syenite 2.6 Granite 2.65 Diorite 2.85 Gabbro 3.0 Gypsum 2.3 Rock salt 2.1 Coal 0.7-2.0 Oil shale 1.6-2.7 Dense limestone 2.7 Marble 2.75 Shale, Oklahomaa 1000 ft depth 2.25 3000 ft depth 2.52 5000 ft depth 2.62 Quartz, mica schist 2.82 Amphibolite 2.99 Rhyolite 2.37 Basalt 2.77
Porosidad: n = V V p t Factores que influyen en la porosidad: Tipo de roca Meteorización Tensiones in-situ (profundidad) Ejemplos: a) Relación entre porosidad y profundidad b) Porosidad influye en la resistencia de rocas frágiles
Porosidad (Goodman 1989) Rock Age Depth Porosity (%) Mount Simon sandstone Cambrian 13,000 ft 0.7 Nugget sandstone (Utah) Jurassic 1.9 Potsdam sandstone Cambrian Surface 11.0 Pottsville sandstone Pennsylvanian 2.9 Berea sandstone Mississippian 0-2000 ft 14.0 Keuper sandstone (England) Triassic Surface 22.0 Navajo sandstone Jurassic Surface 15.5 Sandstone, Montana Cretaceous Surface 34.0 Beekmantown dolomite Ordovician 10,500 ft 0.4 Black River limestone Ordovician Surface 0.46 Niagara dolomite Silurian Surface 2.9 Limestone, Great Britain. Carboniferous Surface 5.7 Chalk, Great Britain Cretaceous Surface 28.8 Solenhofen limestone Surface 4.8 Salem limestone Mississippian Surface 13.2 Shale Pre-Cambrian Surface 1.6 Shale, Oklahoma Pennsylvanian 1000 ft 17.0 Shale, Oklahoma Pennsylvanian 3000 ft 7.0 Shale, Oklahoma Pennsylvanian 5000 ft 4.0 Shale Cretaceous 600 ft 33.5 Shale Cretaceous 2500 ft 25.4 Shale Cretaceous 3500 ft 21.1 Shale Cretaceous 6100 ft 7.6 Granite, fresh Surface 0 to 1 Granite, weathered 1-5 Decomposed granite 20.0 Marble 0.3 Marble 1.1 Bedded tuff 40.0 Welded tuff 14.0 Cedar City tonalite 7.0 Frederick diabase 0.1 San Marcos gabbro 0.2
Permeabilidad o conductividad hidráulica: Tema 4 Por la existencia de las continuidades se distingue entre: Permeabilidad primaria (de la roca matriz) Permeabilidad secundaria (macizo rocoso; discontinuidades) Q = v A Q: caudal [m 3 /s] v: velocidad [m/s] A: área [m 2 ] v = k i = k h/l k: conductividad hidráulica [m/s] i: gradiente hidráulico [-] Q = k A i Factores importantes: Porosidad (permeabilidad primaria) Tipo de discontinuidad (permeabilidad secundaria) Valores típicos de k (m/día): Gres: 2 Caliza: 0.002 Rocas magmáticas: < 0.001 0.0001 Rocas metamórficas: < 0.001 0.0001
4.2.2 Propiedades básicas - geomecánicas Dureza: Es una propiedad directamente relacionada con la resistencia! Depende de la composición mineralógica y del grado de alteración Existen diferentes aparatos de medida: El Martillo Schmidt o esclerómetro Se mide el rebote del martillo y se relaciona con la compresión simple (mucha dispersión) Identificación con un cono o NCB Cone indenter Escala de Mohs: Mineral o roca Índice de dureza Característica Diamante 10.0 Cuarzo 7.0 Basalto 7.0 Sílex 6.5 Feldespato 6.2 Gneis 5.2 Esquisto 5.0 Se raya con un cuchillo Dolomita 3.7 Caliza 3.3 Esquisto-pizarra 3.1 Calcita 3.0 Se raya con una moneda de Antracita 3.0 cobre Mármol 3.0 Carbón bituminoso 2.5 Mica 2.3 Yeso 2.0 Se raya con la uña Talco 1.0
Diagrama de clasificación de las rocas basada en la dureza Schmidt:
Durabilidad (alterabilidad): Tema 4 La durabilidad es la resistencia ante el cambio de las propiedades de la roca matriz por exfoliación, hidratación, fluencia, disolución, oxidación, abrasión y otros procesos. Ensayos de durabilidad (resistencia a la disgregación): Slake Durability Test (ensayo de sequedad-humedad-desmoronamiento): Determina la velocidad de la descomposición bajo diversas condiciones de humedad (Franklin y Chandra, 1972) Se mide la resistencia a la disgregación y a la meteorización sometiendo a 10 fragmentos de roca (40 60 gr) a dos ciclos de secar en una estufa (105 o C) y después con un tambor semi-sumergido girando a 200 vueltas durante 10 minutos. Finalmente se mide el porcentaje de perdida del peso. Ensayo de inmersión Se mira el comportamiento de la roca inmergida en agua destilada Índice de durabilidad I D (%): Peso seco después de uno o dos ciclos Peso inicial de la muestra Clasificación mediante el Slake Durability Test ( I D ) (Goodman 1989) % Retained after One % Retained after Two 10-min Cycle 10-min Cycles Group Name (Dry Weight Basis) (Dry Weight Basis) Very high durability >99 >98 High durability 98-99 95-98 Medium high durability 95-98 85-95 Medium durability 85-95 60-85 Low durability 60-85 30-60 Very low durability <60 <30
Desgaste Abrasividad - Rozabilidad: Coeficiente de desgaste o abrasividad (F), según el Índice de Schimazek: Q Φ m τ F = 100 Q: porcentaje de cuarzo (%) φ m : diámetro del grano de cuarzo (cm) τ: resistencia a la tracción (kg/cm 2 ). La abrasividad se mide con el Índice de Cerchar (Ensayo Cerchar) Muy útil para conocer el coste de la perforación de un túnel en roca por medios mecánicos.
ROCAS ÍGNEAS ROCAS PERFORACIÓN DUREZA Y ABRASIVIDAD ABRASIVA INTERMEDIA POCO ABRASIVA Tema 4 DESCOMPUESTA Riolita Basalto olivínico Andesita Serpentina Aplita Dacita Basalto Basalto descompuesto Felsita Dunita Tracita Granito caolinizado Granodíorita Gabro olivínico Dolerita Pegmatíta Diorita cuarcífera Diorita Porfido cuarcítico Granito Martillos en cabeza pesados de 50-230 mm Martillos en fondo de 102-150 mm Perforadoras rotativas pesadas 150 mm Gabro Sienita Perforadoras rotativas pesadas 150 mm Perforación rotativa por corte Perforación percutiva si existe roca sana. ROCAS METAMÓRFICAS DUREZA Y ABRASIVIDAD DURA Y ABRASIVA INTERMEDIA POCO ABRASIVA Esquisto cuarcífero Corneana Pizarra ROCAS PERFORACIÓN Cuarcita Esquisto micáceo Filita Gneis Mármol dolomítico Esquisto clorítico Granulita Mármol Perforadoras rotopercutivas grandes Perforadoras rotopercutivas medianas y grandes Perforadoras rotativas muy grandes Perforadoras rotativas medianasgrandes en rocas blandas ROCAS SEDIMENTARIAS ROCAS PERFORACIÓN ABRASIVA DURA Conglomerados de cuarzo Areniscas Grauvacas Ortocuarcitas Perforadoras rotopercutivas grandes Perforadoras rotativas grandes DUREZA Y ABRASIVIDAD ABRASIVA ABRASIVA ABRASIVA MENOS DURA FRIABLE FRIABLE Ceniza volcánica Areniscas friables Calizas Calizas silíceas Areniscas calcáreas Arcilla esquistosa Areniscas de Gravas grano grueso consolidadas Cretas Tobas Perforadoras rotopercutivas medianas Perforadoras rotativas grandes Perforadoras rotativas grandes, medianas y pequeñas Perforadoras rotopercutivas medianas y grandes Martillos en fondo o perforadoras rotativas grandes NO ABRASIVA BLANDA Margas Lutitas Carbones Yesos Calizas oolíticas Evaporitas Perforadoras rotativas con tricono
Velocidad de las ondas sísmicas: Un método para determinar el grado de la fisuración o meteorización utilizando la velocidad de: ondas longitudinales, v l ondas transversales, v s Índice de calidad según Fourmaintraux (IQ en %): IQ = v p * /v p 100% v p * : velocidad de ondas longitudinales en testigos cilíndricos v p : valor típico de velocidad de ondas longitudinales para roca sana Valores típicos de velocidades de ondas longitudinales: Material v p (km/s) Granito 4.0-5.6 Basalto 5.0-6.6 Caliza 2.8-7.1 Gres 1.0-4.4 Limolita 1.4-4.4 Gneis 3.5-7.5 Mármol 3.8-6.9 Esquisto 2.3-5.7 Arcilla 1.2-2.5
Relación entre IQ, la porosidad y el grado de fisuración (Goodman 1989) Rocas más fisuradas tienen velocidades más pequeñas.
Resistividad eléctrica: Tema 4 El método de resistividad eléctrica sirve para identificar los diferentes tipos de materiales. (en el laboratorio y en el campo) La Ley de Ohm: Si se representa la resistencia del conductor por la letra R, la diferencia de potencial en los extremos del conductor por la letra V, y la corriente que circula por él, con la letra I la ley de Ohm puede formularse como: V I = R I: corriente (Amperio) V: voltaje (Voltio) R: resistencia (Ω) La resistencia de un material depende de sus dimensiones: R l = ρ S Material R: resistencia medida (Ω) ρ: resistividad o resistencia especifica del material (Ω m) S : área / sección transversal (m 2 ) l : longitud (m) Resistividad (Ω m) Granito 500 20000 Basalto 20 5000 Caliza 200 100000 Gres 20 500 Limolita 20 500 Gneis 100 5000 Mármol 1000 100000 Esquisto 100 3000 Arcilla 0.5 15 La recíproca de la resistividad es la conductividad (en S/m). Otra propiedad: Propiedades térmicas (conductividad térmica)