CARACTERIZACION_GEOMECANICA_DE_LAS_ROCAS

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CARACTERIZACION 
GEOMECANICA DE LAS 
ROCAS
PROPIEDADES MECANICAS DE LAS DISCONTINUIDADES
Para poder estudiar
un macizo rocoso es
necesario estudiar las
propiedades
mecánicas de las
discontinuidades.
PROPIEDADES MECANICAS DE LAS 
DISCONTINUIDADES
DISCONTINUIDADES LISAS
DISCONTINUIDAD RUGOSA SIN RELLENO
CLASIFICACION GEOMECANICA DE LAS ROCAS
 En la naturaleza las discontinuidades son rugosas. 
CLASIFICACION SEGÚN SU ORIGEN
Una primera clasificación tiene en cuenta el aspecto litológico, cuya identificación, aunque no
es definitiva, resulta básica para la asociación con procesos químicos o físicos que se
traducen en debilitamiento del material. Se presenta a continuación una clasificación litológica
cualitativa que no pretende cuantificar propiedades, sino dar una orientación sobre el origen
del tipo de material.
TIPO DE ROCAS CLASES EJEMPLOS
SEDIMENTARIA
Detríticas
Cuarcita, Arenisca, Arcillolitas, 
Limolitas, Conglomerado.
Químicas Evaporitas, Caliza y Dolomita
Orgánicas Caliza, Carbón y rocas coralíferas
ÍGNEAS Plutónicas Granito, Gabro y Diorita
Volcánicas
Basalto, Andesita, Riolita
METAMÓRFICAS
Masivas
Cuarcita, Mármol
Foliadas o Esquistosas Pizarra, Filita, Esquisto, Gneis
CLASIFICACION SEGÚN SU RESISTENCIA
Resistencia a la 
compresión
ISRM (1981) Sociedad de Geólogos 
Londres (1970)
Bieniawski
(1973)
Tipo de material
MPa K/cm2 SUELOS O ROCAS INTENSAMENTE FRACTURADAS
< 1 < 10
1 – 5  10 – 50 Muy Blanda Blanda > 1.25
Muy Baja
Sal, lutitas, Limolitas, marga, toba, 
carbón
5 – 12,5  50 - 125 Blanda Moderadamente Blanda
12,5 – 25  125 – 250
Moderadamente Dura
25 – 50  250 – 500 Moderadamente 
Dura
Baja Esquisto, Pizarra
50 – 100  500 –1000 Dura Dura Media Roca metamórfica esquistosa, mármol, 
granito, gneis, arenisca, caliza, 
Dolomita.
100 – 200  1000 -2000 Muy Dura Alta Cuarcita, gabro, basalto, granito.
>200 >2000 Extremadamente Dura Muy Alta
>250 >2500 Extremadamente 
Dura
Antes de presentar otras clasificaciones geomecánicas de rocas aplicadas, se ilustran algunas expresiones
utilizadas en excavaciones subterráneas pues una de las mayores utilidades de la clasificación geomecánica
es en este tipo de obra. En la Figura se presenta la sección transversal de un túnel tipo baúl y un corte
transversal donde se presenta la excavación y el material de cobertura.
Clave: Arco semicircular para la sección tipo baúl, localizada en la parte superior de la excavación y que va
desde la zona horaria 3 hasta la zona horaria 6. La clave puede variar de forma desde alineamiento recto a
curvos, de acuerdo con las condiciones de estabilidad.
Solera: Parte más baja de la excavación que puede ser recta o curva y que conforma la base de la
excavación. Es recta para una sección tipo baúl, pero se utilizan otras formas curvas cuando existen empujes
del terreno. En la figura se muestra una solera recta.
Cobertura: Distancia de la excavación a la superficie del terreno, perpendicular más corta desde la clave de la
excavación o las paredes hasta la superficie del terreno, en cada sitio del túnel se tiene una cobertura
diferente.
Soporte: Consiste en los elementos temporales estructurales instalados durante la
excavación para asumir parte de la carga e impedir la deformación y mantener
abierto el túnel. En la instalación del revestimiento se utilizan los mismos elementos
ayudados con otros elementos complementarios como concreto con pernos, arcos
de acero, madera y otros menos convencionales que se utilizan para proteger y
estabilizar la excavación en forma definitiva
Clasificación de K. Terzaghi
Para esta clasificación utilizó como parte básica la descripción geológica del tipo de roca, y,
con base en la descripción y en la experiencia de la excavación de túneles ferrocarrileros
determina el soporte o refuerzo de acero que se debe instalar en cada sitio. En la propuesta
se fijan escalas de acuerdo con las diferentes condiciones de la roca.
Esta clasificación se puede utilizar para túneles viales y a flujo libre, cuando el soporte debe
absorber los esfuerzos generados en el interior del macizo (continuo) por la excavación. La
propuesta viene acompañada de algunas definiciones que son importantes en la utilización
de la clasificación.
Roca inalterada: No tiene fisuras, ni estratificación o juntas; por lo tanto, cuando se produce un
desplazamiento relativo entre puntos lo hace a través de la roca sana durante la excavación,
y debido al fracturamiento que se causa en la roca por el uso de explosivos durante el
proceso de construcción, la falla que se puede presentar es la caída de bloques del techo o
de la clave, varias horas o varios días después de la voladura; esta condición se llama
desprendimiento. La roca dura, inalterada, también puede verse afectada por chasquidos, lo
que implica la separación espontánea y violenta de láminas de roca de las paredes o del
techo de la excavación producto del alto nivel de esfuerzos al que queda sometida la
periferia de excavación, que en ese momento está haciendo de Soporte.
Roca estratificada: Está constituida por capas unitarias de roca de alta dureza, pero con
poca o ninguna resistencia a la separación a lo largo del plano de contacto entre
estratos. La capa puede haberse debilitado debido a fracturas transversales existentes o
generadas por el proceso de construcción de la excavación subterránea. Los
desprendimientos son más comunes en este tipo de rocas debido a los planos de
debilidad existentes.
Roca medianamente fisurada: Tiene más de una familia de discontinuidades y fisuras, pero
los bloques entre las juntas están soldados o tan íntimamente encajonados que las
paredes verticales no necesitan refuerzo. En rocas de este tipo se puede presentar a la vez
desprendimiento y chasquido.
Roca agrietada en bloques: Es una roca químicamente inalterada o casi inalterada, cuyos
fragmentos se encuentran totalmente separados unos de otros y no encajonados. Esta
clase de roca puede necesitar soportes laterales en las paredes de la excavación.
Roca triturada: Presencia de más de cuatro familias de discontinuidades, pero
químicamente sana, y puede llegar a tener la apariencia de ser un producto de
trituradora. Si los fragmentos, en su mayoría o todos, son del tamaño de arena y no ha
habido recementación, la roca triturada que está abajo del nivel de las aguas freáticas
tiene las propiedades de una arena saturada.
Roca comprimida: Avanza lentamente hacia el interior del túnel sin aumento perceptible
de volumen. Un prerrequisito de comprensión es un porcentaje elevado de partículas
microscópicas de micas o de minerales arcillosos de poca expansividad.
Roca expansiva: Avanza básicamente en el túnel debido a su propia expansión. La
capacidad de esponjamiento parece estar limitada a las rocas que contienen minerales
arcillosos como la montmorillonita con una alta capacidad de expandirse y generar
deformaciones a altas presiones sobre el refuerzo.
DETERMINACION DE LA CARGA
 Para la determinación de la carga en cada sector, la clasificación propuesta utiliza la 
descripción del tipo de material presente con sus características geológicas. En la Tabla 
se presentan los intervalos considerados; en esta, B es el ancho de la excavación, Ht es 
la altura de la excavación, H es la cobertura de la excavacióny Hp es la altura del 
material a sostener por efecto de la excavación.
ESTADO DE LA ROCA
CARGA DE LA ROCA 
Hp EN PIES OBSERVACIONES
1. Dura y masiva 0
Solosenecesitarefuerzo 
escasosihaydesprendido o chasquido.
2. Dura pero estratificada 0 a 0.5 B
Refuerzoescasomásque nada como 
protección contra desprendimiento.
3. Masiva ligeramente fisurada 0 a 0.25 B
Lacargapuedecambiarenn formaerrática 
de un punto a otro.
4. Medianamente fracturada 
en bloques algo abiertos
0.25 B a 0.35 (B + Ht) No hay presión lateral.
5. Muy fracturadaenbloques y 
las fracturas abiertas
035 a 1.10 ( B + Ht) Poca o ninguna presión lateral
6. Totalmente triturada pero 
químicamenteinalterada
1.10 a (B + Ht)
Presiones laterales considerables, marcos 
circulares.
7. Roca comprimida 
profundidad moderada
1.10 a 2.20 (B + Ht)
Considerable presión lateral. Se requiere 
plantilla, es preferible usar marcos 
circulares.
8. Rocacomprimidaagran 
profundidad
(2.10 a 4.50) (B + Ht)
9. Roca expansiva Hasta 250 pies
Marcos circulares indispensables en casos 
extremos úsese refuerzo elástico.
Ejercicio: Durante la excavación de un túnel se encontró una
roca caliza con separación entre fisuras muy juntas y sin señales
de alteración química. El túnel por excavar en sección tipo baúl
tiene un ancho de 6 m y una altura de 7 m; el peso unitario del
material es de 2.2 t/m3. Si en obra se dispone de un perfil H de
acero, que tiene una capacidad para soportar 380 toneladas
por cada soporte instalado con las dimensiones de la
excavación proyectada, ¿cada cuánto colocaría el soporte
mencionado?
Solución: Con la clasificación propuesta por K. Terzaghi se puede utilizar el siguiente procedimiento:
Se determina en cuál de los puntos de la clasificación de Terzaghi encasilla la información disponible.
La información se puede considerar dentro del numeral 6 de la clasificación(Tabla 3.18)
Hp = 1.10 ( B + Ht ) = 1.10 (6m. + 7m.) = 14.30m. = 46.92 ft.
W = V · : Peso de material a sostener por el arco, volumen a sostener por el peso unitario del material.
V = B1 · L·Hp: Volumen por estabilizar (ancho de la excavación, longitud y altura de material fracturado o carga). Se 
toma B1 como 6 m como ancho promedio.
V = B1· Hp·L = 6 x 14.3 x L = 85.8 m2·L
W = 85.8 m2 x 2.2 T/m3·L = 188.76 T/m ·L donde L es la separación entre arcos
Propuesta de Stini y Lauffer
Stini, en su Manual de geología de túneles, propuso una clasificación para los
macizos rocosos y comentó muchas de las condiciones adversas que pueden
encontrarse en la construcción de túneles. Insistió sobre la importancia de los
defectos estructurales de la roca y recomendó que la orientación de excavación no
fuera paralela al rumbo de discontinuidad, o fuera muy inclinada.
Lauffer enfatizó sobre la importancia del tiempo de sostén del claro activo en un
túnel, que se denomina tiempo de autosoporte o de sostén, y es el lapso durante el
cual una excavación será capaz de mantenerse abierta sin desprendimientos y
ningún tipo de soporte, mientras que el claro activo es el espacio o longitud de la
excavación sin soporte, y corresponde al espacio del túnel que puede corresponder
a la distancia entre el frente de la excavación y la instalación del soporte o en casos
críticos, de roca muy fracturada o de baja resistencia, al ancho o a una parte del
ancho de la excavación.
Índice de calidad de roca de Deere
El índice de calidad de la roca RQD
se utiliza como una clasificación
geomecánica de un macizo rocoso
.Es necesario tener la información
de una perforación en el sector
donde se quiere establecer la
condición del macizo y sobre los
recobros de la perforación hallar el
RQD para toda la perforación o
para un sector de la perforación de
acuerdo con la representatividad
de esta para la obra que se plantea
desarrollar y con este se puede
utilizar la Figura,donde se determina
si la excavación necesita soporte.
Cording, Hendron y Deere
modificaron el factor de carga de
roca de Terzaghi y relacionaron este
valor modificado con el RQD
Clasificación de Merrit
Merrit hizo un intento de llevar la aplicabilidad del RQD para determinar el tipo de soporte necesario
en un túnel, y su propósito quedó plasmado como aparece en la Figura. Aunque estaba convencido
de que el RQD era un parámetro importante en la determinación delos sistemas de soporte, encontró
una serie de inconvenientes a su propósito. El criterio de determinar el refuerzo a partir del RQD tiene
limitaciones en el caso de que haya fracturas con rellenos delgados de arcilla o de material
meteorizado.
Este caso puede presentarse cerca
de la superficie donde la
meteorización o las infiltraciones
hayan producido arcilla, lo que
reduce la resistencia a la fricción a lo
largo de los planos de fractura. Esto
generará una roca inestable aun si
las fisuras están muy separadas una
de otra y el valor de la RQD es alto,
luego el uso de esta propuesta está
restringida a condiciones geotecnias
particulares
Clasificación CSIR: Macizos Rocosos Fisurados o 
RMR
No existe una clasificación sencilla basada en un solo parámetro que pueda dar idea del
comportamiento del macizo, debido a su complejidad, pues la reacción de la roca que rodea la
excavación incluye los parámetros de la roca, geometría y características de las discontinuidades,
presencia de agua y la orientación de la excavación; por lo tanto, en esta clasificación los autores
incluyen la combinación de los factores RQD y discontinuidades, la influencia de rellenos arcillosos
y de la meteorización.
La clasificación geomecánica es propuesta por el CSIR, Consejo de África del Sur para la
Investigación Científica e Industrial,e incluye cinco factores básicos y particularidades del uso que
se proyecta para el macizo. Bieniawski, coautor de esta clasificación CSIR, propone que la
clasificación delmacizo rocoso fisurado incluye las siguientes ventajas:
•Divide el macizo en grupos de comportamiento similar.
•Proporciona una buena base para la comprensión de las características del macizo.
•Facilitar la planeación y el diseño de estructuras en la roca al proporcionar datos
cuantitativos que se necesitan para la solución de problemas de ingeniería.
•Proporciona una base común de comunicación efectiva para todas las personas
interesadas en un problema de geomecánica.
Este propósito se logra si la clasificación geomecánica por utilizar tiene las
siguientes características:
•Es sencilla y significativa en sus términos.
Se apoyo en parámetros que se dejan medir y pueden establecerse en el campo de
manera rápida y económica
Parámetros base de la clasificación
Para cumplir con los dos requisitos anteriores,Bieniawski propuso originalmente que su
“clasificación geomecánica” comprendiera los siguientes parámetros: RQD (Índice de calidad
de la roca), grado de la meteorización, resistencia a la comprensión uniaxial de la roca
inalterada, distancia entre sí de fisuras y estratificación, orientaciones del rumbo y el
buzamiento, separación de las fisuras, continuidad de las fisuras e infiltraciones de aguas
subterráneas. Después de ajustes a la clasificación propuesta, los cinco parámetros básicos
utilizados para la cuantificación de las propiedades del macizo son:
Resistencia de la roca inalterada. Bieniawski emplea la clasificación de la resistencia a la
compresión de la roca que proponen Deere y Miller.
RQD.Corresponde al índice de calidad de la roca propuesto por Deere.
Espaciamiento de fisuras. El término fisura se utiliza para toda clase de discontinuidades
como las fisuras, fallas, planos de estratificación y otros planos de debilidad.
El estado de las fisuras. Este parámetro toma en cuenta la separación 
o abertura de las fisuras, su continuidad, la rugosidad de su superficie, el 
estado de las paredes (duras o blandas) y la presencia de relleno de las 
fisuras.
Condiciones del agua subterránea. Se hace un intento de medir la 
influencia del flujo de aguas subterráneas sobre la estabilidad de 
excavaciones en términos de caudal observado que penetra en la 
excavación.
Valuación de parámetros
La forma en la que estos parámetros han sido incorporados en la 
clasificación de Geomecánica CSIR para macizos fisurados se muestra 
en la Tabla, donde aparecen los rangos de valores para cada parámetro 
de acuerdo con las condiciones descritas para cada sector
A. CLASIFICACIÓN DE LOS PARÁMETRO Y SU EVALUACIÓN
PARÁMETRO ESCALAS DE VALORES
1
R
e
si
st
e
n
c
ia
 d
e
 l
a
 r
o
c
a
 in
a
lt
e
ra
d
a
Índice de la carga de 
punta
> 10 MPa 4 – 10 MPa 2- 4 MPa 1 - 2 MPa
Para esta escala 
tan baja prefiere 
la prueba de la 
resistencia a la 
compresión 
uniaxial.
Resistenciaa 
compresión uniaxial
> 250 MPa 100 – 250 MPa 50 - 100 MPa
25 - 50 
MPa
5-25 
MPa
1-25 
MPa
<1M
Pa
Valuación 15 12 7 4 2 1 0
2
RQD 90% - 100% 75% - 90% 50% 75%
25% -
50%
<25%
Valuación 20 17 13 8 3
3
Espaciamiento de Juntas > 2m 0.6 –2 m 200 – 600 mm
60 -
200 
mm
<60 mm
Valuación 20 15 10 8 5
4
Condición de discontinuidades
Superficies muy 
rugosas, sin 
continuidad, sin 
separación. Paredes de 
roca sana.
Superficies 
algo rugosas, 
separación 
<1mm paredes 
de roca 
ligeramente 
meteorizadas.
Superficies 
algo rugosas, 
separación 
<1mm 
paredes de 
roca 
altamente 
meteorizadas.
Superficies 
pulidas o 
relleno< 5mm. 
Espesor o 
fisuras 
abiertas
1 -5mm 
fisuras 
continuas.
Relleno 
blando
>5 mm o 
fisurasabierta
s >5 mm. 
Fisuras 
continuas
Valuación 30 25 20 10 0
5
A
g
u
a
s 
su
b
te
rr
á
n
e
a
s
Cantidad de Infiltración por 
10 m de túnel.
Ninguna
< 10 
litros/min.
10-25 
litros/min
25-125 
litros/min
> 125 
litros/min
Relación entre la presión de 
agua y el esfuerzo principal o 
mayor
0 < 0.1 0.1 -0.2 0.2 - 0.5 > 0.5
Situación general Totalmente seco Húmedo
Sólo húmedo 
(agua de 
intersticios)
Ligera presión 
de agua.
Serios 
problemas de 
agua.
Valuación 15 10 7 4 0
B. AJUSTE EN LA VALUACIÓN POR ORIENTACIÓN DE FISURAS
ORIENTACIÓN DE RUMBO Y ECHADO DE LAS FISURAS
MUY 
FAVORABLE
FAVORABLE REGULAR
DESFAVORA
BLE
MUY 
DESFAVORA
BLE
Valuación
Túneles 0 -2 -5 -10 -12
Cimentacion
es
0 -2 -7 -15 -25
Taludes 0 -5 -25 -50 -60
C. CLASIFICACIÓN DE ROCAS SEGÚN EL TOTAL DE VALUACIÓN
Valuación 100 –81 80 -61 60 -– 41 40 - 21 < 21
Clasificación No I II III IV V
Descripción
Muy buena 
roca
Buena roca Roca regular Roca mala
Roca muy 
mala
D. SIGINIFICADO DE LA CLASIFICACIÓN DEL MACIZO ROCOSO
Clasificación No I II III IV V
Tiempo Medio de 
Sostén
20 años para claro 
de 15 m
1 año para 
claro de 10 m
1 semana para 
claro de 5 m
10 horas para 
claro de 2.5 m
30 minutos para 
claro de 1 m
Cohesión de la roca. >400kPa 300-400 KPa 200-300 KPa 100-200KPa < 100 KPa
Ángulo de fricción 
de la roca.
> 45º 35º - 45º 25º - 35º 15º - 25º < 15º
E. GUÍA PARA LA CLASIFICACIÓN DE DISCONTINUIDADES
Longitud Discontinuidad 
sistente
<1 m 1 – 3 m 3 – 10 m 10 – 20 m  20 m
Valuación 6 4 2 1 0
Separación (Apertura) No hay <0.1 mm 0.1– 1 mm 1– 5 mm 5 mm
Valuación 6 5 4 1 0
Rugosidad Muy Rugosa Rugosa
Ligeramente 
Rugosa Pulida Resbalosa
Valuación 6 5 3 1 0
Relleno No Hay
Relleno duro 
<5 mm
Relleno duro 
>5mm
Relleno 
Blando<5mm
Blando >5mm
Valuación 6 4 2 2 0
Alteración No Alterada
Ligeramente 
Alterada
Moderadament
eAlterada
Altamente 
Alterada
Descompuest
a
Valuación 6 5 3 1 0
F.EFECTO DE RUMBO Y EL BUZAMIENTO DE LAS FISURAS EN LOS TÚNELES
Rumbo perpendicular al eje del túnel
Rumbo paralelo al eje del 
túnel
Buzamiento 
0º-20º 
independiente 
del Rumbo
Penetración en el sentido 
del azimut
Penetración en 
contrasentido del azimut
Buzamiento
4
5º-90º
Buzamiento 
20º-45º
Buzamiento 
45º-90º
Buzamiento
20º-45º
Buzamiento
45º-90º
Buzamiento
20º-45º
Muy 
favorable
Favorable Regular Desfavorable
Muy 
desfavorable
Regular Desfavorable
Metodología propuesta para usar la clasificación CSIR
Para determinar el tipo de soporte temporal por instalar en cada uno de
los sectores de una excavación subterránea, en la etapa de diseño se
propone el siguiente procedimiento:
•Dibujar un corte transversal donde aparezca el eje del túnel, la cobertura,
composición geológica, fallas, discontinuidades, y parámetros conocidos.
•De acuerdo con las condiciones geológicas y parámetros geotécnicos se
deben escoger sectores donde el comportamiento geotécnico sea similar.
•Seleccionar los parámetros representativos para cada uno de los
sectores.
•De acuerdo con los parámetros de cada sector, cuantificar y establecer
las condiciones del macizo en cada sector, utilizando la Anterior tabla.
Determinar el tipo de soporte por instalar en cada sitio de acuerdo con la
siguiente Tabla y hacer un esquema con las condiciones típicas de cada
sector.
CLASE DE ROCA PERNOS 20 mm
CONCRETO 
NEUMÁTICO
SOPORTES DE 
ACERO
ROCA MUY BUENA
81 A 100
No requiere soporte. 
Excepto en sitios aislados.
No requiere soporte. 
Excepto en sitios 
aislados.
No requiere 
soporte. Excepto en 
sitios aislados.
ROCA BUENA
61 A 80
Pernos en la clave de 3 m 
de longitud cada 2.5 m. 
Ocasionalmente con malla.
5 cm en la clave o en 
pared si se requiere.
No son necesarios.
ROCA MEDIA 41 A 
60
Pernos de 4 m de longitud 
cada 1.5a 2 m en la clave y 
paredes. Con malla en la 
clave.
5 cm a 10 cm en la 
clave o donde se 
requiera.
No se requiere.
ROCA POBRE 21 A 
40
Pernos de 4 a5 m de 
longitud cada 1.5 m en la 
clave y paredes con malla.
De 10 a15 cm en la 
clave y 10 cm en las 
paredes.
Marcos livianos y 
espaciados 1.5 m 
donde se requieran.
ROCA MUY POBRE
MENOR DE 21
Pernos de 5 m a 6 m, cada 
1.5 m en la clave y paredes 
con malla.
De 15 a20 cm en la 
clave, 15 cm en las 
paredes y 5 cm en el 
frente.
Grupo de marcos 
medio pesados.