Tema 4

PROPIEDADES DE LA ROCA MATRIZ 4.1. Introducción (Temas 4 y 5) MACIZO ROCOSO (Tema 5)

ROCA MATRIZ

DISCONTINUIDADES

(Tema 4)

(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 • Fallas

• Diaclasas • 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 Marcel Hürlimann

Tema 4

Control geológico de las propiedades de la matriz rocosa y del macizo rocoso:

Propiedades de la matriz rocosa y métodos para su determinación:

Marcel Hürlimann

Tema 4

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

Marcel Hürlimann

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Peso específico: Wt Vt Wt ( sat.) Peso específico saturado (Sr = 1): γ sat = Vt W (sec o) γd = t Peso específico seco (Sr = 0): Vt Peso específico natural:

γn =

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

Marcel Hürlimann

Tema 4

Porosidad: n=

Vp Vt

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 Marcel Hürlimann

Tema 4

Porosidad (Goodman 1989) Rock

Age

Mount Simon sandstone Cambrian Nugget sandstone (Utah) Jurassic Potsdam sandstone Cambrian Surface Pottsville sandstone Pennsylvanian Berea sandstone Mississippian Keuper sandstone (England) Triassic Navajo sandstone Jurassic Sandstone, Montana Cretaceous Beekmantown dolomite Ordovician Black River limestone Ordovician Niagara dolomite Silurian Limestone, Great Britain . Carboniferous Chalk, Great Britain Cretaceous Solenhofen limestone Salem limestone Mississippian Shale Pre-Cambrian Shale, Oklahoma Pennsylvanian Shale, Oklahoma Pennsylvanian Shale, Oklahoma Pennsylvanian Shale Cretaceous Shale Cretaceous Shale Cretaceous Shale Cretaceous Granite, fresh Granite, weathered Decomposed granite Marble Marble Bedded tuff Welded tuff Cedar City tonalite Frederick diabase San Marcos gabbro

Depth 13,000 ft

0-2000 ft Surface Surface Surface 10,500 ft Surface Surface Surface Surface Surface Surface Surface 1000 ft 3000 ft 5000 ft 600 ft 2500 ft 3500 ft 6100 ft Surface

Porosity (%) 0.7 1.9 11.0 2.9 14.0 22.0 15.5 34.0 0.4 0.46 2.9 5.7 28.8 4.8 13.2 1.6 17.0 7.0 4.0 33.5 25.4 21.1 7.6 0 to 1 1-5 20.0 0.3 1.1 40.0 14.0 7.0 0.1 0.2

Marcel Hürlimann

Tema 4

Permeabilidad o conductividad hidráulica: 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 [m3/s] v: velocidad [m/s] A: área [m2]

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:

• Caliza: • Rocas magmáticas: • Rocas metamórficas:

2 0.002 < 0.001 – 0.0001 < 0.001 – 0.0001

Marcel Hürlimann

Tema 4

Marcel Hürlimann

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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

Diamante Cuarzo Basalto Sílex Feldespato Gneis Esquisto Dolomita Caliza Esquisto-pizarra Calcita Antracita Mármol Carbón bituminoso Mica Yeso Talco

10.0 7.0 7.0 6.5 6.2 5.2 5.0 3.7 3.3 3.1 3.0 3.0 3.0 2.5 2.3 2.0 1.0

Característica

↓ Se raya con un cuchillo

↓ Se raya con una moneda de cobre

↓ Se raya con la uña

Marcel Hürlimann

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Diagrama de clasificación de las rocas basada en la dureza Schmidt:

Marcel Hürlimann

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Durabilidad (alterabilidad): 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 oC) 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

Î Índice de durabilidad ID (%): Peso seco después de uno o dos ciclos Peso inicial de la muestra Clasificación mediante el “Slake Durability Test” ( ID ) (Goodman 1989)

Group Name

% Retained after One 10-min Cycle (Dry Weight Basis)

Very high durability High durability Medium high durability Medium durability Low durability Very low durability

>99 98-99 95-98 85-95 60-85 98 95-98 85-95 60-85 30-60