Fragmento de uno de los módulos del «Curso de introducción a la mecánica de rocas: fundamentos y aplicaciones«.

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4.0. INTRODUCCIÓN

Las estaciones geomecánicas son herramientas esenciales para la ingeniería geológica, ya que permiten comprender el comportamiento del macizo rocoso y diseñar estructuras que sean seguras y estables. Estas estaciones permiten evaluar la calidad y resistencia del macizo, lo que es crucial para garantizar la seguridad y estabilidad de proyectos como túneles, presas, taludes y cimentaciones. El levantamiento geomecánico de estaciones en el campo es un primer aspecto que permite estudiar y cuantificar la red de discontinuidades es su conjunto. En los macizos de roca estas estaciones permiten identificar y representar las familias las diaclasas, fallas, planos de estratificación, esquistosidad, etc. La presencia de discontinuidades en los macizos de roca implica la existencia de planos de debilidad a lo largo de los cuales el macizo puede sufrir rotura o deslizamiento en unas condiciones en las que en la roca matriz homogénea no lo haría. En general las condiciones resistentes (cohesión y ángulo de rozamiento) a lo largo de las discontinuidades son inferiores a las de la mencionada roca matriz. Gran parte de los tipos de rotura en los taludes o de los problemas de estabilidad en túneles (figura 4.1) están controlados por los planos de discontinuidad. Las condiciones en que se establece el límite del equilibrio en taludes en relación con discontinuidades sirven para plantear el tipo de rasgos que ejercen control en el comportamiento de las discontinuidades.

Figura 4.1. Rotura plana y en cuña en taludes y problema de sobreexcavación en túnel por una desfavorable orientación de las discontinuidades (Tomado de González de Vallejo et al., 2002).

Un bloque aislado de roca estará en equilibrio cuando la fuerza que tiende a producir el deslizamiento (componente tangencial del peso) es igual a la resistencia al deslizamiento, la cual comprende una cohesión y un rozamiento. El rozamiento a lo largo de las discontinuidades es una condición de gran transcendencia. El rozamiento depende de las irregularidades o asperezas de la superficie de discontinuidad, es decir de la “ondulación” y la “rugosidad”. Estas irregularidades son de diferente tamaño u orden, formando un cierto ángulo con la superficie de discontinuidad. Si se produce deslizamiento a lo largo de la discontinuidad, remontando las asperezas, se observa que hay también un desplazamiento transversal o normal, es decir, una dilatación (figura 4.2 izquierda). El aumento de la fuerza normal inhibe el deslizamiento a lo largo de las asperezas y lo que se produce es una rotura cortante a través de ellas, siguiendo después un deslizamiento de tipo similar al de la discontinuidad lisa. Existe así una resistencia de pico al deslizamiento que pasa a una resistencia residual (figura 4.2 derecha).

Figura 4.2. Comportamiento de discontinuidades con rugosidad. Resistencias de pico y residual. (Johnsos & Graff, 1988).

La rugosidad aumenta el rozamiento y por lo tanto la resistencia a lo largo de la discontinuidad, siendo por ello necesaria su descripción cuantitativa detallada. La forma en que las asperezas actúan es también lógicamente dependiente del grado de apertura de los labios de la discontinuidad. Frecuentemente las discontinuidades llevan rellenos, por ejemplo, arcillas de alteración o precipitados minerales de tipo hidrotermal. En función de la naturaleza de este relleno y de su espesor, la discontinuidad modifica su comportamiento. En principio, el rozamiento a lo largo de la discontinuidad pasa a ser el del material de relleno, pero ello solo cuando el relleno es de mayor espesor que la altura de las asperezas. Cuando el relleno es delgado las asperezas entran en contacto con el deslizamiento y la resistencia es mayor. Las discontinuidades ejercen también un importante papel en el flujo de agua subterránea en los macizos rocosos, pues son el lugar por el que circula debido a la porosidad secundaria por fracturación que generan. La apertura de la discontinuidad y la forma de la rugosidad, así como el estado tensional, son factores esenciales que controlan el flujo subterráneo. El flujo aumenta con la apertura y la disminución de contactos en la discontinuidad, al disminuir también la fuerza normal. A escala del macizo, el tensor de permeabilidades es anisótropo y está controlado por la densidad y orientación de la red de discontinuidades.

Figura 4.3. Bloque esquemático representando las principales propiedades de las discontinuidades: Orientación, espaciado, continuidad, tamaño y forma de los bloques, rugosidad y ondulación, abertura, relleno y presencia de agua. (Hudson, 1989. Tomado de González de Vallejo et al., 2002).

A continuación, se describen las propiedades, observaciones y parámetros de las discontinuidades que es necesario recoger en el campo cuando se realiza una estación geomecánica (Figura.4.3):

• Orientación

• Espaciado

• Continuidad

• Tamaño y forma de los bloques

• Rugosidad y ondulación

• Abertura

• Relleno

• Resistencia y grado de meteorización

• Presencia de agua

Estos datos deberán adquirirse en campo con la mayor precisión posible, porque de dicha precisión dependerán los cálculos posteriores. Lo normal es hacer estas observaciones en afloramientos o taludes, pero también se obtienen datos también en sondeos y excavaciones. La foto aérea y las imágenes satélite puede ser en algunos casos un buen complemento y permitirá estudiar en mejores condiciones alguna de las propiedades de las redes de discontinuidades. En todos los casos es deseable eliminar al máximo la subjetividad y por ello se tenderá a expresar los datos de forma cuantitativa, en forma de números o índices. Para lograr objetividad y uniformidad en las observaciones, independientemente del profesional que las realice, se recomienda seguir las indicaciones de la ISRM contenidas en los »Suggested Methods for Quantitative Description of Discontinuities in Rock Masses» (BARTON et al, 1978).

4.1. ORIENTACIÓN

Dado que la orientación controla la estabilidad del macizo (límite de equilibrio) y la forma de los bloques de roca, el objetivo primero a cubrir es medir la dirección y el buzamiento de los planos de discontinuidad, así como las agrupaciones o lotes en que se asocian. En Geología, las medidas de orientación suelen expresarse de dos formas:

Notación 1. Orientación por Horizontales de Plano (figura 4.4 izquierda). Ejemplo: N30ºE/60ºSE  Se miden tres parámetros:

• Dirección (o rumbo): es el ángulo entre las horizontales del plano y la dirección Norte-Sur, medido en el primer cuadrante sentido horario. Valor entre 0-180º.

• Cantidad de buzamiento: es el ángulo entre la línea de máxima pendiente del plano y la horizontal. Valor entre 0-90º.

• Sentido de buzamiento: es la dirección según la cual el plano pierde cota, hacia donde avanza un objeto que cae por gravedad sobre el plano.

Notación 2. Orientación por dirección de Línea de Máxima pendiente (figura 4.4 derecha). Ejemplo: 120º/60º. Se miden dos parámetros:

• Dirección de buzamiento: es el ángulo entre la proyección horizontal de la línea de máxima pendiente y la dirección Norte-Sur, sentido horario. Valor entre 0-360º.

• Cantidad de buzamiento: es el ángulo entre la línea de máxima pendiente del plano y la horizontal. Valor entre 0-90º.

Figura 4.4. Medida de orientación de las discontinuidades con las dos notaciones más usadas en geología. Izquierda: orientación por dirección o rumbo (ángulo entre las horizontales de plano y la dirección N-S, sentido horario), cantidad de buzamiento (ángulo de la línea de máxima pendiente con la horizontal) y sentido de buzamiento (dirección según la cual el plano pierde cota). Derecha: orientación por dirección de buzamiento (ángulo entre la proyección de la línea de máxima pendiente y la dirección N-S, sentido horario) y cantidad de buzamiento (ángulo de la línea de máxima pendiente con la horizontal). Modificado de Barton, 1978.

La medida se lleva a cabo con una brújula en el afloramiento. Es necesaria una brújula que además de medir rumbos y tenga un clinómetro para el buzamiento (figura 4.5).

Figura 4.5. Medida de orientación de las discontinuidades con brújula Silva. (Autor: Porres J.A.)

4.2. ESPACIADO

El espaciado determina el tamaño de los bloques, el tipo de rotura (rotura anisótropa o circular) e influye en gran medida en la permeabilidad del macizo. El espaciado “S”, es la distancia característica entre planos de discontinuidad. En ocasiones se trabaja con la frecuencia, que es la inversa ($J = 1/S$). En general se puede medir directamente el espaciado entre discontinuidades individuales pero el dato que interesa es el espaciado más frecuente en cada lote o familia.

Figura 4.6. Medida del espaciado de una familia de diaclasas en la cara expuesta de un macizo. (Barton, 1978).

El equipo de medida consiste esencialmente en una cinta métrica a la que se puede añadir la brújula y el clinómetro. Las medidas se toman a lo largo de una dirección midiendo el espaciado o el número de planos por longitud de 3 m o de unas 10 veces el espaciado. Cuando la discontinuidad no es perpendicular a la cinta se debe corregir mediante el seno del ángulo que forman (figura 4.7).

Descripción	Espaciado
Extremadamente junto	< 20 mm
Muy junto	20-60 mm
Junto	60-200 mm
Moderadamente junto	200-600 mm
Separado	600-2.000 mm
Muy separado	2.000-6.000 mm
Extremadamente separado	> 6.000 mm

Figura 4.7. Términos en los que se describe el espaciado

4.3. CONTINUIDAD o Persistencia

Este dato resulta ser de la mayor importancia pues indica si un lote de planos va a atravesar el conjunto del macizo, pudiendo movilizar grandes masas y determina la posible existencia de puentes de roca que doten de mayor resistencia al macizo. Sin embargo, esta propiedad es muy difícil de cuantificar pues la persistencia lateral de los planos suele ser mayor que la extensión del afloramiento y el desnivel vertical muy inferior a la continuidad según el buzamiento. En muchos casos en el afloramiento se ven pocas terminaciones de los planos en la roca matriz. Frecuentemente unos planos terminan contra otros. La continuidad varía de unos lotes de planos a otros dando lugar a combinaciones diferentes tales como, con dos lotes, redes con dos muy persistentes (figura 4.8), una persistente y otra cruzada contra la anterior, o diversos grados de no persistencia que dan lugar a puentes de roca matriz sin discontinuidad.

Figura 4.8. Tipos de redes de fracturación y diagramas mostrando distintos modelos de continuidad o persistencia de varias familias de discontinuidades (Barton, 1978).

Unos límites de continuidad son:

| TIPO DE CONTINUIDAD | LONGITUD (m) |

| :— | :— |

| Muy baja | < 1 |

| Baja | 1-3 |

| Media | 3-10 |

| Alta | 10-20 |

| Muy alta | > 20 |

4.4. TAMAÑO Y FORMA DE LOS BLOQUES

La forma de los bloques de roca que separan las discontinuidades depende del número de lotes presentes en el macizo y de su orientación. Se puede tener situaciones con un único lote de discontinuidades (figura 4.9) que determina cuerpos tabulares y casos de tres o más lotes, dando lugar a bloques equidimensionales o de formas diversas.

Figura 4.9. Geometría de macizos con uno o más familias de discontinuidades (Tomado de González de Vallejo et al., 2002)

En función de la forma de los bloques se pueden distinguir macizos de geometrías diferentes:

| FORMA | DESCRIPCIÓN |

| :— | :— |

| Masivos | Pocas juntas o muy espaciadas |

| En cubos | Bloques equidimensionales |

| Tabular | Una dimensión menor que las otras dos |

| Columnar | Una dimensión mucho mayor que las otras dos |

| Irregular | Gran variación en forma y tamaño de bloques |

| Brechificado | Densamente fracturado |

El tamaño de bloques depende del espaciado, del número de familias y de la continuidad de cada lote. Influye de forma decisiva en el comportamiento mecánico de los macizos (tipo de rotura, peso de los bloques, etc.) y en la eficacia en la explotación en canteras. El equipo a utilizar es la cinta métrica y el procedimiento a seguir puede variar entre medir los espaciados y calcular un índice de tamaño de bloques $I_{b}$ o medir el número de juntas por unidad de volumen o índice $J_{v}$.

El índice de tamaño de bloques $I_{b}$ se calcula a partir de los espaciados: $I_{b} = (S_{1} + S_{2} + S_{3}) / 3$. El índice de juntas por volumen $J_{v}$ se calcula con la suma de las frecuencias: $J_{v} = 1/S_{1} + 1/S_{2} + 1/S_{3} + … + 1/S_{n}$.

Los bloques pueden ser en función del índice $J_{v}$ (Juntas/m):

| TIPO DE BLOQUES | Número de juntas / m |

| :— | :— |

| Muy grandes | < 1 |

| Grandes | 1-3 |

| Tamaño medio | 3-10 |

| Pequeños | 10-30 |

| Muy pequeños | 30-60 |

| Brechificado | > 60 |

Se puede calcular el RQD a partir del $J_{v}$ mediante la relación: $RQD = 115 – 3,3 \cdot J_{v}$. La presentación de los datos de tamaño de bloque debe incluir valor de los índices $I_{b}$ y $J_{v}$ por sectores o dominios, descripción del macizo (masivo, tabular, …) y, si es posible, representar gráficamente la forma de los bloques.

4.5. RUGOSIDAD Y ONDULACIÓN

Cuando la apertura es pequeña o no hay rellenos potentes, el comportamiento de los planos de discontinuidad viene controlado en gran medida por la rugosidad y ondulación (figura 4.10).

Figura 4.10. Diferencia entre rugosidad y ondulación en una superficie de discontinuidad (Tomado de González de Vallejo et al., 2002).

La rugosidad corresponde a las irregularidades de pequeño tamaño (gran escala) en la superficie de discontinuidad, las cuales se comportan como asperezas que se oponen por rozamiento, al deslizamiento. La ondulación corresponde a irregularidades de mayor tamaño (pequeña escala) y afecta más que el rozamiento a la dirección de deslizamiento. Se ha escrito mucho acerca de su cuantificación y se pueden separar los métodos rápidos de campo de los más detallados »in situ» o en laboratorio. Sobre el terreno se han propuesto medidas de inclinación de los flancos de la ondulación y rugosidad mediante la utilización de discos de aleación de diferentes tamaños sobre los que se sitúa la brújula con clinómetro (figura 4.11).

Figura 4.11. Método de los discos de aleación con brújula-clinómetro para determinar la rugosidad en discontinuidades (Barton, 1978. Tomado de González de Vallejo et al., 2002).

Las medidas se representan en proyección estereográfica para las diversas escalas (figura 4.12) y se mide la rugosidad para la dirección potencial de deslizamiento.

Figura 4.12. Proyecciones estereográficas resultado del método de los discos de aleación para determinar la rugosidad de discontinuidades (Barton, 1978).

Para trabajo rápido estándar sobre el terreno, se utilizan cartas que permiten una clasificación visual rápida. En la figura 4.13 se representa una tabla con términos descriptivos de los perfiles de rugosidad estándar, donde cualitativamente un plano de discontinuidad puede ser, por ejemplo, “Tipo I escalonado-rugoso”, “Tipo IV ondulado-rugoso” o “Tipo VIII Plano-liso”, en función de las observaciones directas en campo.

Figura 4.13. Carta para la determinación de ondulación y rugosidad por el método de comparación visual campo. La longitud de los perfiles ocupa un rando de 1-10 metros. Tomado de Barton, 1978 (izquierda) y González de Vallejo, 2002 (derecha).

4.6. ABERTURA

La separación de los labios de la discontinuidad determina de manera dramática la resistencia al deslizamiento. Si la abertura es grande la resistencia es mínima mientras que una abertura pequeña permite una zona de contacto entre los labios más o menos amplia y la movilización del rozamiento. Se puede hablar de discontinuidades cerradas y abiertas (figura 4.14) de forma cualitativa, pero se puede también alcanzar una mayor precisión con un examen visual y alguna medida complementaria.

Figura 4.14. Apertura y relleno en discontinuidades (Barton, 1978).

La escala de aperturas utilizable propuesta por Barton 1978 se describe en la figura 4.15. La medida se hace directamente con una regla graduada en milímetros, o con un calibre. Para sacar una media representativa la medición debe realizarse al menos a lo largo de 3 metros de la discontinuidad.

CLASIFICACIÓN	ABERTURA	Descripción	Categoría
Muy cerrada	< 0,1 mm	Very tight	«Closed» features
Cerrada	0,1-0,25 mm	Tight	«Closed» features
Parcialmente abierta	0,25-0,50 mm	Partly open	«Closed» features
Abierta	0,50-2,5 mm	Open	«Gapped» features
Moderadamente abierta	2,5-10 mm	Moderately wide	«Gapped» features
Ancha	> 10 mm	Wide	«Gapped» features
Muy ancha	1-10 cm	Very wide	«Open» features
Extremadamente ancha	10-100 cm	Extremely wide	«Open» features
Cavernosa	> 1 m	Cavernous	«Open» features
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Figura 4.15. Terminología utilizada para referirse a la abertura en discontinuidades (Barton, 1978).

4.7. RELLENO

La existencia de rellenos de naturaleza diferente a la de la matriz rocosa modifica el comportamiento de la discontinuidad, al imponer los parámetros resistentes del material de relleno cuando éste tiene suficiente espesor. Por ello se debe reconocer la naturaleza del material de relleno y observar otros datos que permiten apreciar su probable comportamiento mecánico. Se debe tener en cuenta si se trata de material blando o roca muy meteorizada.

Observaciones del relleno a considerar: a) Mineralogía del relleno. b) Tamaño de las partículas. e) Grado de consolidación. d) Permeabilidad y contenido en agua. e) Desplazamiento previo por cizalla. t) Rugosidad y ondulación de las paredes. g) Anchura. h) Fracturación de la roca. i) Resistencia al corte.

En cuanto a la naturaleza del material se distinguirá entre: L. – Limpia O. – Oxidada Q. – Relleno de cuarzo C. – Relleno de arcilla S. – Relleno de arena L. – Relleno de calcita

El parámetro i) Resistencia al corte, se puede estimar según Barton 1978 mediante las observaciones de campo que se recogen en la figura 4.16.

Clase	Descripción	Identificación de campo	Compresión simple (MPa)
S5	Arcilla muy blanda	El puño penetra fácilmente varios cm.	< 0,025
S4	Arcilla débil	El dedo penetra fácilmente varios cm.	0.025-0.05
S3	Arcilla firme	Se necesita pequeña presión para hincar el dedo	0.05-0.1
S2	Arcilla rígida	Se necesita fuerte presión para hincar el dedo	0.1-0.25
S1	Arcilla muy rígida	Con cierta presión puede marcarse con la uña	0.25-0.5
S0	Arcilla dura	Se marca con dificultad al presionar con la uña	> 0.5
R0	Roca extremadamente blanda	Se puede marcar con la uña.	0.25-1.0
R1	Roca muy blanda	Se desmenuza al golpear; se talla con navaja	1.0-5.0
R2	Roca blanda	Se talla con dificultad; saltan pequeñas muescas	5.0-25
R3	Roca mod. dura	No se talla con navaja; fractura con golpe fuerte	25-50
R4	Roca dura	Requiere más de un golpe para fracturarla	50-100
R5	Roca muy dura	Requieren muchos golpes para fracturarla	100-250
R6	Roca ext. dura	Sólo saltan esquirlas al golpearlo	> 250

Figura 4.16. Estimación aproximada de la resistencia a compresión simple del material de relleno de discontinuidades según Barton, 1978 (Tomado de González de Vallejo, 2002).

4.8. PRESENCIA DE AGUA

Dado que la presencia de agua es un factor de inestabilidad de primera magnitud, las observaciones acerca de la circulación de agua por las juntas deben completar un estudio de discontinuidades. Aunque la matriz rocosa sea impermeable, las fracturas, diaclasas y demás planos de discontinuidad actúan como porosidad secundaria que permite la circulación de agua. Se puede utilizar el siguiente Sistema de clasificación de filtraciones en discontinuidades:

Juntas sin relleno

• Clase I. La junta es muy plana y seca. No parece que pueda circular agua.

• Clase II. Junta sin evidencia de flujo de agua.

• Clase III. Junta seca, pero con evidencia de haber circulado agua.

• Clase IV. Junta húmeda, pero sin agua libre.

• Clase V. Junta con rezume, ocasionalmente goteo pero sin flujo continuo.

• Clase VI. Junta con flujo continuo de agua.

Juntas con relleno

• Clase I. Relleno muy consolidado y seco. Flujo no posible.

• Clase II. Relleno húmedo, pero sin agua libre presente.

• Clase III. Relleno mojado con goteo ocasional.

• Clase IV. Relleno muestra señales de lavado, flujo de agua continuo.

• Clase V. Rellenos localmente lavados, flujo considerable según ciertos canales.

• Clase VI. Rellenos completamente lavados, altas presiones de agua.

Macizos rocosos (túneles)

• Clase I. Paredes y techo secos, no hay rezumes.

• Clase II. Rezumes pequeños, alguna junta gotea agua.

• Clase III. Flujo medio, juntas concretas con flujo continuo.

• Clase IV. Flujo grande, juntas concretas con flujo continuo.

• Clase V. Flujo excepcionalmente alto, fuentes concretas importantes.

4.9. ESTACIONES GEOMECÁNICAS

Las estaciones geomecánicas de macizos rocosos son la herramienta básica para iniciar el análisis de su comportamiento mecánico, lo que es esencial para el diseño y la ejecución de proyectos de ingeniería que involucran cimentaciones o excavaciones en medios rocosos. Para la caracterización de un macizo rocoso, se aplica la siguiente METODOLOGÍA:

1. Bibliografía

2. Cartografía geológica y geotécnica (fotogeología, hidrogeología, tectónica, etc.)

3. Toma de datos (levantar Estaciones Geomecánicas)

4. Técnicas geofísicas (sísmica, eléctrica, georadar, etc.)

5. Sondeos y calicatas

6. Ensayos de laboratorio e “in situ”

7. Clasificación geomecánica (BIENIAWSKI: índice RMR, BARTON: índice Q).

Una estación geomecánica es, por tanto, un elemento fundamental en la caracterización del macizo rocoso, es el registro y cuantificación de todas las observaciones relevantes de un afloramiento rocoso. La estación geomecánica se crea en una plantilla que recoge sistemáticamente las propiedades y características del macizo rocoso, tipos y familias de discontinuidades, orientación, espaciado, continuidad, apertura, rugosidad, rellenos, presencia de agua, etc. A continuación, se expone la plantilla de toma de datos para estación geomecánica usada por el Área de Ingeniería del Terreno de la Universidad de Burgos:

Ejemplos de estaciones geomecánicas realizadas por otros autores: